Устойчивость растений Sisymbrium lipskyi к цинку и их фиторемедиационный потенциал

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

И. В. Дроздова

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

Author for correspondence.
Email: IDrozdova@binran.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Б. Б. Калимова

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

Email: IDrozdova@binran.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. И. Беляева

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

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

Н. В. Алексеева-Попова

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

Email: Drozdova@binran.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The content of mobile forms of Zn in the substrate after 2 months of growth of seedlings of Sisymbrium lypsky. Significant differences between the experience variants at P < 0.05 are indicated in different letters.

Download (89KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The effect of Zn on germination (1) and growth (2) of Sisymbrium lipsky seedlings. The designations of the statistical significance of the differences are given separately for the indicators of germination and growth. Significant differences between the experience variants at P < 0.05 are indicated in different letters.

Download (83KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The effect of 2-month exposure to Zn on the accumulation of dry biomass of aboveground organs of seedlings of Sisymbrium lypskyi. The data for normally developed plants are given. Significant differences between the experience variants at P < 0.05 are indicated in different letters.

Download (70KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Zn content in the roots (1) and leaves (2) of Sisymbrium lypsky seedlings after 2 months of growth at different levels of Zn in the substrate. The designations of the statistical significance of the differences are given separately for roots and leaves. An asterisk indicates statistically significant differences between roots and leaves for each of the experiment options. The data for normally developed plants are given. Significant differences between the experience variants at P < 0.05 are indicated in different letters.

Download (89KB)
Indexing metadata
6. 5. The effect of 2-month exposure to Zn on the content of chlorophyll a (1), chlorophyll b (2) and carotenoids (3) in the leaves of seedlings of Sisymbrium lypsky. The designations of the statistical significance of the differences are given separately for chlorophyll a, chlorophyll b and carotenoids. The data for normally developed plants are given. Significant differences between the experience variants at P < 0.05 are indicated in different letters.

Download (106KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The ratio of Zn content in the leaves of seedlings of Sisymbrium lypsky to its content in the substrate (coefficient of biological accumulation) (a) and the ratio of Zn content in leaves to its content in roots (translocation factor) (b) after 2 months of growth at different levels of Zn in the substrate. Significant differences between the experience variants at P < 0.05 are indicated in different letters.

Download (137KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies