Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-624XThe Russian Academy of Sciences26658610.31857/S0015330324030108NLXXVFЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleФизиолого-биохимические реакции Sorghum bicolor на бактеризацию и воздействие поллютантовФизиолого-биохимические реакции Sorghum bicolor на бактеризацию и воздействие поллютантовТурковскаяО. В.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruБондаренковаА. Д.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruГолубевС. Н.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruПоздняковаН. Н.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruДубровскаяЕ. В.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruСунгурцеваИ. Ю.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruМуратоваА. Ю.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

turkovskaya_o@ibppm.ruФедеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”150520247133563681710202417102024Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.rcsi.science/0015-3303/article/view/266586

Исследованы физиолого-биохимические параметры сорго веничного (Sorghum bicolor L. Moench), характеризующие реакции его 3-недельных проростков на присутствие биотического (бактериальный штамм Gordonia sp. N7) и абиотических (никель и н-гексадекан) факторов. Исследованы такие показатели как выживаемость растений, биомасса корней и побегов, индексы толерантности, транслокационный фактор никеля, содержание фотосинтетических пигментов, спектр и активность пероксидаз в корневых экссудатах. Показано, что реакции сорго на комбинированное воздействие стрессоров отличались от таковых при их индивидуальном воздействии. Показано, что н-гексадекан и бактеризация по-отдельности и совместно оказывали стимулирующее влияние на прирост биомассы сорго. Напротив, никель в использованной концентрации (20 мг/кг) проявлял выраженное ингибирующее воздействие на изученные показатели. Комбинирование исследуемых компонентов изменяло некоторые показатели относительно индивидуальных, однако токсичность металла доминировала, существенно нивелируя стимулирующее влияние н-гексадекана и актинобактерий рода Gordonia на рост растения. Однако по состоянию фотосинтетического аппарата и активности пероксидаз в корневых экссудатах отмечены различающиеся реакции растений на комбинированный стресс. Существенные изменения происходили в процессах накопления никеля в органах растений: в присутствии н-гексадекана и особенно бактерии увеличивалась аккумуляция никеля в надземной части сорго – ТФ повышался более чем в 2 раза. Полученные результаты дают обоснование целесообразности использования штамма Gordonia sp. N7 как технологического приема, способствующего процессу фиторемедиации по извлечению никеля из загрязненного грунта с помощью Sorghum bicolor. В то же время, необходимо отметить, что выявленный эффект следует учитывать в сельскохозяйственном кормопроизводстве, поскольку он свидетельствует о повышении загрязнения растительной продукции тяжелым металлом.

Sorghum bicolorGordonia sp.аккумуляция никелябиомассан-гексадеканпероксидазная активностьсмешанные загрязненияфиторемедиацияфотосинтетические пигментыМинистерство образования и науки Российской ФедерацииMinistry of Education and Science of the Russian Federation1022040700974-4Sathya A., Kanaganahalli V., Srinivas Rao P., Gopalakrishnan S. Cultivation of sweet sorghum on heavy metalcontaminated soils by phytoremediation approach for production of bioethanol // In: M.N.V. Prasad, ed., Bioremediation and Bioeconomy, Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 271. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-802830-8.00012-5De Bernard A., Casucci C., Businelli D., D’Amato R., Beone G. M., Fontanella M.C., Vischetti C. Phytoremediation potential of crop plants in countering nickel contamination in carbonation lime // Plants. 2020. V. 9. P. 580. https://doi.org/10.3390/plants9050580Rao P.S., Reddy B.V.S., Reddy Ch.R., Blümmel M., Kumar A.A., Rao P.P., Basavaraj G. Utilizing co-products of the sweet sorghum based biofuel industry as livestock feed in decentralized systems // In: FAO. 2012. Biofuel co-products as livestock feed – Opportunities and challenges, edited by Harinder P.S. Makkar. Rome. P. 229.Hong S.H., Cho K.-S., Ryu H., Kim J. Rhizoremediation of diesel-contaminated soil using the plant growth-promoting rhizobacterium Gordonia sp. S2RP-17 // Biodegradation. 2011. V. 22. P. 593. https://doi.org/10.1007/s10532-010-9432-2Lo Piccolo L., De Pasquale C., Fodale R., Puglia A.M., Quatrini P. Involvement of an alkane hydroxylase system of Gordonia sp. strain SoCg in degradation of solid n-alkanes // Appl. Environ. Microbiol. 2011. V. 77. P. 1204. https://doi.org/10.1128/AEM.02180-10Litvinenko L.V. Ability of the Dietzia, Gordonia and Rhodococcus actinobacteria to accumulate nickel ions // Microbiol. 2019. V. 88. P. 207. https://doi.org/10.1134/S0026261719020061Atagana H.I. Bioremediation of co-contamination of crude oil and heavy metals in soil by phytoremediation using Chromolaena odorata (L) King & H.E. Robinson // Water Air Soil Pollut. 2011. V. 215. P. 261. https://doi.org/10.1007/s11270-010-0476-zПиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. Под ред. М.А. Глазовской. М.: Наука, 1988. С. 7.Muratova A., Lyubun Y., German K., Turkovskaya O. Effect of cadmium stress and inoculation with a heavy-metal-resistant bacterium on the growth and enzyme activity of Sorghum bicolor // Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. V. 22. P. 16098. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4798-7Бондаренкова А.Д. Стимулирующие рост растений ризобактерии в фиторемедиации почв, загрязненных углеводородами // Дисc. … канд. биол. наук. Саратов: ИБФРМ РАН, 2009. 162 с.Dubrovskaya E., Pozdnyakova N., Golubev S., Muratova A., Grinev V., Bondarenkova A., Turkovskaya O. Peroxidases from root exudates of Medicago sativa and Sorghum bicolor: catalytic properties and involvement in PAH degradation // Chemosphere. 2017. V. 169. P. 224. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.11.027Smith G.S., Johnston C.M., Cornforth I.S. Comparison of nutrient solutions for growth of plants in sand culture // New Phytol. 2006. V. 94. P. 537. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.1983.tb04863.xПредельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041-06.Герхардт Ф. Методы общей бактериологии. М.: Мир, 1983. Т. 3. 536 с.Ali N.A., Berna M.P., Ater M. Tolerance and bioaccumulation of cadmium by Phragmites australis grown in the presence of elevated concentrations of cadmium, copper and zinc // Aquat. Bot. 2004. V. 80. P. 163. https://doi.org/10.1016/J.AQUABOT.2004.08.008Елизарьева Е.Н., Янбаев Ю.А., Кулагин А.Ю. Особенности выбора фиторемедиационных технологий очистки почв и сточных вод от ионов тяжелых металлов // Вестник удмуртского университета. Биология. Науки о Земле. 2016. Т. 26. С. 7.Методы биохимического анализа растений / В.В. Полевой и Г.Б. Максимов. Л.: Изд-во Ленинградского университета. 1978. 192 с.Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of proteindye-binding // Anal Biochem. 1976. V. 72. P. 248. https://doi.org/10.1006/abio.1976.9999Niku-Paavola M.L., Karhunen E., Salola P., Raunio J. Ligninolytic enzymes of white-rot fungus Phlebia radiate // Biochem J. 1988. V. 254. P. 877. https://doi.org/10.1042/bj2540877Bartha R., Bordeleau L. Cell–free peroxidases in soil // Soil Biol. Biochem. 1969. V. 1. P. 139. https://doi.org/10.1016/0038-0717(69)90004-2Criquet S., Joner E., Leglize P., Leyval C. Anthracene and mycorrhiza affect the activity of oxidoreductases in the roots and the rhizosphere of lucerne (Medicago sativa L.) // Biotechnol. Lett. 2000. V. 22. P. 1733. https:// doi:10.1023/A:1005604719909Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4 // Nature. 1970. V. 227. P. 680. https://doi.org/10.1038/227680a0Cao A., Cappai G., Carucci A., Muntoni A. Selection of plants for zinc and lead phytoremediation // J. Environ. Sci. Health. 2004. V. 39. P. 1011. https://doi.org/10.1081/ese-120028410Ahmad M.S.A., Ashraf M. Essential roles and hazardous effects of nickel in plants. In: Reviews of environmental contamination and toxicology, Whitacre D.M. (ed.). New York: Springer, 2011. P. 125. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0668-6_6Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. Physiological role of nickel and its toxic effects on higher plants // Russ. J. Plant Physiol. 2006. V. 53. P. 257. https://doi.org/10.1134/S1021443706020178Khan S., Afzal M., Iqbal S., Khan Q.M. Plant-bacteria partnerships for the remediation of hydrocarbon contaminated soils // Chemosphere. 2013. V. 90. P. 1317. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.09.045Vega-Jarquin C., Dendooven L., Magaña-Plaza I., Thalasso F., Ramos-Valdivia A. Biotransformation of n-hexadecane by cell suspension cultures of Cinchona robusta and Dioscorea composite // Environ. Toxicol. Chem. 2001. T. 20. P. 2670. https://doi.org/10.1002/etc.5620201203Solyanikova I.P., Golovleva L.A. Hexadecane and hexadecane-degrading bacteria: mechanisms of interaction // Microbiology. 2019. V. 88. P. 19. https://doi.org/10.1134/S0026261718060152Rubtsova E.V., Kuyukina M.S., Ivshina I.B. Effect of cultivation conditions on the adhesive activity of rhodococci towards n-hexadecane // Appl. Biochem. Microbiol. 2012. V. 48. P. 501. https://doi.org/10.1134/S0003683812050110Ivshina I.B., Kuyukina M.S., Kostina L.V. Adaptive mechanisms of nonspecific resistance to heavy metal ions in alkanotrophic actinobacteria // Rus. J. Ecol. (Ekologiya). 2013. P. 115. https://doi.org/10.1134/S1067413613020082Белимов А.А., Тихонович И.А. Микробиологические аспекты устойчивости и аккумуляции тяжелых металлов у растений (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. С. 10.Oh K., Cao T.H., Cheng H.Y., Liang X.H., Hu X.F., Yan L.J., Yonemochi S., Takahi S. Phytoremediation potential of sorghum as a biofuel crop and the enhancement effects with microbe inoculation in heavy metal contaminated soil // J. Biosci. Medic. 2015. V. 3. P. 9. http://dx.doi.org/10.4236/jbm.2015.36002Abou-Shanab R., Delorme T.A., Angle J.S., Chaney R.L., Ghanem K., Moawad H., Ghozlan H.A. Phenotypic characterization of microbes in the rhizosphere of Alyssum murale // Int. J. Phytoremediation. 2003. V. 5. P. 367. https://doi.org/10.1080/16226510390268766Kreslavski V.D., Carpentier R., Klimov V.V., Murata N., Allakhverdiev S.I. Molecular mechanisms of stress resistance of photosynthetic apparatus // Biochemistry (Moscow) Supplement Series A Membrane and Cell Biology. 2007. V. 1. P. 185. https://doi.org/10.1134/S1990747807030014Küpper H., Küpper F., Spiller M. Environmental relevance of heavy metal substituted chlorophylls using the example of water plants // J. Exp. Bot. 1996. V. 47. P. 259. https://doi.org/10.1093/jxb/47.2.259Смирнова Ю.В., Курамшина З.М., Гамоненко О.В. Влияние эндофитных бактерий Bacillus subtilis на содержание фотосинтетических пигментов в растениях пшеницы при воздействии никеля // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2018. № 12. C. 54. http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6661.Bashan Y., Bustillos J.J., Leyva L.A., Hernandez J. P., Bacilio M. Increase in auxiliary photoprotective photosynthetic pigments in wheat seedlings induced by Azospirillum brasilense // Biol. Fertil. Soils. 2006. V. 42. P. 279. https://doi.org/10.1007/s00374-005-0025-xCzarnes S., Mercier P.E., Lemoine D.G., Hamzaoui J., Legendre L. Impact of soil water content on maize responses to the plant growth promoting rhizobacterium Azospirillum lipoferum CRT1 // J. Agro Crop Sci. 2020. V. 206. P. 505. https://doi.org/10.1111/jac.12399Газарян И.Г., Хушпульян Д.М., Тишков В.И. Особенности структуры и механизма действия пероксидаз растений // Успехи биол. химии. 2006. Т. 46. С. 303.Граскова И.А., Боровский Г.Б., Владимирова С.В., Романенко А.С., Войников В.К. Изоферментные спектры пероксидаз картофеля при патогенезе кольцевой гнили // Доклады РАН. 2002. Т. 384. № 6. С. 844.