Влияние кадмия на накопление фенольных соединений в побегах Triticum aestivum, инокулированных эндофитными бактериями

Введение. Среди неферментативных антиоксидантов особое внимание привлекают фенольные соединения, которые представляют собой гетерогенную группу вторичных метаболитов растений. В растениях фенольные соединения (ФС) представлены как мономерными (фенилпропаноиды и флаваноиды и др.), так и полимерными (лигнин) формами. В соответствии со своим химическим разнообразием ФС играют множество важных функций в растениях. Большинство фенольных веществ важны для защиты растений от травоядных и патогенных микроорганизмов, другие необходимы как структурные компоненты и для привлечения опылителей. Содержания и скорость метаболизма ФС усиливается в растениях при действии на них различных стрессовых факторов окружающей среды [4, С. 524].

В результате промышленного развития окружающая среда все больше загрязняется тяжелыми металлами. При действии неблагоприятных воздействий на растения происходит образование вредных активных форм кислорода, что приводит к окислительному стрессу. Помимо хорошо изученных антиоксидантных систем, состоящих из низкомолекулярных антиоксидантов и специфических ферментов, важна роль флавоноидов, фенилопропаноидов и фенольных кислот в качестве эффективных антиоксидантов. При воздействии тяжелых металлов фенольные соединения могут выступать как хелаторы, а с другой стороны, ФС могут непосредственно поглощать молекулярные частицы активного кислорода [4, С. 525].

В настоящее время известно, что микроорганизмы, обитающие в ризосфере и растительных тканях, могут повышать устойчивость растений к тяжелым металлам. Одними из таких бактерий являются эндофитные штаммы Bacillus subtilis, которые являются основой биопрепратов.

Целью настоящей работы явилось исследование влияния инокуляции семян клетками эндофитных бактерий Bacillus subtilis 26Д и 11ВМ на содержание ФС в побегах растений Triticum aestivum (сорт Омская-35).

Методика исследований. Объектом исследования служила яровая мягкая пшеница (Triticum aestivum L.) сорта Омская 35. В экспериментах использовали калиброванные семена с всхожестью не менее 90%. Семена пшеницы 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), которую выращивали при температуре +37^оС на мясо-пептонном агаре. Обработку семян клетками Bacillus subtilis проводили в стерильных условиях, в ламинар-боксе. Для получения бактериального препарата, клетки B. subtilis отмывали 0,001 М раствором KCl, затем концентрацию суспензии доводили до 10⁶ кл./мл по оптической плотности. Семена обрабатывали из расчета 20 мкл на 1 г семян. Семена контрольных растений в том же объеме обрабатывали дистиллированной водой. Затем семена выдерживали до полного подсыхания, использовали для посадки в почву. Растения выращивали в течение 30 суток в выщелоченном черноземе в пластиковых вегетационных сосудах (20 × 20 см). при искусственном освещении (12 кЛк, 16-часовом фотопериод) и температуре 18–20°С. Для имитации загрязнения почвы тяжелым металлом, кадмий вносили в виде раствора соли Cd(NO₃)₂*6H₂O, однократно после посева семян, рассчитывая соответствующую концентрацию ионов металла (10, 200 и 500 мг/кг почвы). Контрольные растения поливали дистиллированной водой. Содержание растворимых ФС определяли согласно методу Фолина и Чокальтеу [3] в модификации Синглетона и Росси [5], основанному на реакции фенолов с солями фосфорновольфрамовой и фосфорномолибденовой кислот. Содержание окрашенных соединений оценивали на спектрофотометре UNICO 2800 (США) длине волны 765 нм. Калибровочную кривую строили, используя галловую кислоту. Эксперименты проводили не менее чем в трех биологических повторах. Статистическую обработку результатов проводили с помощью стандартных программ пакета Microsoft Excel. В таблицах данные представлены в виде среднего арифметического значения повторов и стандартного отклонения. Для выявления значимых различий между обработанными и необработанными бактериями растениями использовали t-критерий Стьюдента. Различия между контрольными вариантами и испытываемыми оценивали как достоверные при уровне значимости р<0,05.

Результаты исследований. В ходе проведенных нами экспериментов было выявлено, что инокулированные бактериями растения пшеницы имели более высокие показатели роста, чем неинокулированные, как при воздействии кадмия, так и в отсутствии металла (табл. 1). Так, при выращивании пшеницы в контрольной (чистой) почве показатели сырой массы побегов обработанных бактериями растений были больше, чем у необработанных на 6 и 9%, соответственно для штаммов 26Д и 11ВМ. Известно, что бактерии, исследуемых штаммов B. subtilis, являются эндофитными, способными стимулировать рост растений, повышая в их тканях уровень фитогормонов, содержание доступных для растения питательных веществ в ризосфере, подавляя размножение фитопатогенов и др. [1, С. 177].

Кадмий в концентрациях 10 и 200 мг/кг почвы стимулировал рост побегов пшеницы; повышение содержания металла в среде выращивания приводило к угнетению роста побегов. Данные, приведенные в таблице 1, свидетельствуют о том, что растения пшеницы, инокулированные эндофитными бактериями, обладали большей устойчивостью к кадмию, чем необработанные растения.

У растений пшеницы, обработанных клетками B. subtilis 26Д и 11ВМ при выращивании в почве, не загрязненной кадмием, количественный уровень ФС был ниже, чем у необработанных. Известно, что синтез ФС в тканях растений активируется в ответ на стрессовое воздействие. Меньшее содержание ФС в тканях обработанных бактериями растений и одновременная стимуляция роста по сравнению с необработанными проростками свидетельствует о том, что растения, живущие в сообществе с эндофитом, находятся в более благоприятных условиях произрастания.

В присутствии металла в почве количественный уровень ФС в побегах необработанных растений возрастал. Однако при концентрации ионов кадмия 500 мг/кг почвы наблюдали уменьшение содержания ФС в побегах необработанных бактериями проростков, что может свидетельствовать о нарушениях фенольного метаболизма в растениях, вызванных тяжелым металлом.

В побегах растений, обработанных эндофитными штаммами бактерий, изменение содержания ФС подчинялось тем же закономерностям, что и в необработанных растениях. Однако при воздействии кадмия на растения содержание ФС в тканях инокулированных растений всегда было выше, чем у необработанных растений.

Таблица 1.

Ростовые показатели и содержание фенольных соединений в тканях побегов растений пшеницы в условиях загрязнения почвы кадмием

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

Учитывая то, что ФС могут играть роль эндогенных антиоксидантов, не уступающих по своей антиоксидантной активности таким соединениям как витамины С и Е [4, с. 524], можно предположить, что более низкая интенсивность окислительного стресса под влиянием тяжелых металлов в тканях растений, живущих в сообществе с эндофитами, показанная нами ранее [2, с. 684], может быть связана не только с высокой активностью антиоксидантных ферментов, но и с более высоким уровнем ФС.

Вывод. Таким образом, в условиях воздействия кадмия бактеризация семян пшеницы клетками эндофитных штаммов B. subtilis способствует более интенсивному росту растений и более эффективной работе фенольного метаболизма.