ALLIUM TEST AS A METHOD OF RESEARCHING ANTHROPOGENOUS LOAD
Rubrics: ENGINEERING AND NATURAL SCIENCES
Authors:
1.
Tobolsk Complex Scientific Station of the Ural Branch of Russian Academy of Sciences
Type:
Article
Pages:
from 90
to 94
Status:
Published
Received:
10.04.2018
Accepted:
13.04.2018
Published:
13.04.2018
Subject area:
UDK 581:502
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
phytocenosis, anthropogenic stress, Allium cepa L, bioindication, root meristem, mitosis
Abstract (English):
In the course ofstudy of anthropogenous load upon theterritories located in the immediate vicinity of the construction site of a large petrochemical complex "ZapSibNeftekhim", LLC there were found common species for all territories: Achillea millefolium L., Aconitum septentrionale Koelle, Aegopodium podagraria L., Alchemilla sp ., Angelica sylvestris L., Calamagrostis arundinacea (L.) Roth, Carex acutiformis Ehrh., Carex macroura Meinsh., Carex sp ., Crepis sibirica L., Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, Equisetum sylvaticum L., Filipendula vulgaris Moench., Fragaria vesca L., Galium mollugo L., Geranium sylvaticum L., Hypericum maculatum Crantz, Lathyrus vernus (L.) Bernh., Lysimachia vulgaris L., Luzula pilosa (L.) Willd., Orthilia secunda (L.) House, Paris quadrifolia L. To determine the toxic effects of environmental contaminants on living objects there was used Allium test. Using plant concentrates of Achilléa millefólium L. (1), Calamagrostis arundinacea L. Roth. (2), Filipendula vulgaris Moench. (3) growing on monitoring sitesthere was determined the frequency of anomalies in mitosis of root meristems of onions ( Allium cepa L.) which is sensitive to increased impact of anthropogenous pollutants. An increase in mutagenic mitoses was recorded in stressful anthropogenic conditions: 29.88-31.20% (1); 21.91-24.80% (2); 30.46-47.66% (3). Analysis of the results determines the system of measures needed to improve the sustainability of plant communities. The overall effect quantitatively can be determined by measuring the inhibition of growth in the developing root system, and counting and studying the chromosomes of some cells of the root system can indicate possible mutagenic changes.
In the course ofstudy of anthropogenous load upon theterritories located in the immediate vicinity of the construction site of a large petrochemical complex "ZapSibNeftekhim", LLC there were found common species for all territories: Achillea millefolium L., Aconitum septentrionale Koelle, Aegopodium podagraria L., Alchemilla sp ., Angelica sylvestris L., Calamagrostis arundinacea (L.) Roth, Carex acutiformis Ehrh., Carex macroura Meinsh., Carex sp ., Crepis sibirica L., Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, Equisetum sylvaticum L., Filipendula vulgaris Moench., Fragaria vesca L., Galium mollugo L., Geranium sylvaticum L., Hypericum maculatum Crantz, Lathyrus vernus (L.) Bernh., Lysimachia vulgaris L., Luzula pilosa (L.) Willd., Orthilia secunda (L.) House, Paris quadrifolia L. To determine the toxic effects of environmental contaminants on living objects there was used Allium test. Using plant concentrates of Achilléa millefólium L. (1), Calamagrostis arundinacea L. Roth. (2), Filipendula vulgaris Moench. (3) growing on monitoring sitesthere was determined the frequency of anomalies in mitosis of root meristems of onions ( Allium cepa L.) which is sensitive to increased impact of anthropogenous pollutants. An increase in mutagenic mitoses was recorded in stressful anthropogenic conditions: 29.88-31.20% (1); 21.91-24.80% (2); 30.46-47.66% (3). Analysis of the results determines the system of measures needed to improve the sustainability of plant communities. The overall effect quantitatively can be determined by measuring the inhibition of growth in the developing root system, and counting and studying the chromosomes of some cells of the root system can indicate possible mutagenic changes.
Keywords:
phytocenosis, anthropogenic stress, Allium cepa L, bioindication, root meristem, mitosis
phytocenosis, anthropogenic stress, Allium cepa L, bioindication, root meristem, mitosis
Введение Многие растительные сообщества испытывают определенный антропогенный стресс, особенно вблизи крупных промышленных объектов [1]. Увеличение антропогенной нагрузки приводит к необходимости разработки методики, позволяющей вовремя определить антропогенную деградацию природных фитоценозов. Чтобы сохранить в исходном состоянии природные растительные сообщества, которые подвергаются техногенному воздействию, необходима своевременная оценка состояния, мониторинг и прогноз антропогенного загрязнения. Фитоценозы очень чутко реагируют на антропогенный стресс, в связи с этим растительные объекты можно использовать в роли биоиндикаторов, по изменению морфологических и других параметров их развития можно сделать заключение об антропогенной нагрузке. Растительные объекты служат удачным наглядным объектом для исследования антропогенного воздействия на окружающую среду. Растительные биообъекты в последнее время имеют огромное значение при оценке загрязнения. Ряд преимуществ, которыми обладают растительные объекты, позволяют использовать их для обнаружения антропогенной нагрузки [1, 2]. Для обнаружения загрязнения окружающей среды используют Allium-тест, который является универсальным для применения и часто используется для проведения мониторинговых исследований. Чтобы определить в лабораторных условиях цитотоксические преобразования, используют Allium сера L. Для сосудистых растений тест признан одной из лучших моделей для обнаружения экологической нагрузки и часто используется в мониторинговых исследованиях [3, 4]. Целью исследования является оценка антропогенного воздействия на фитоценозы, произрастающие около крупного нефтехимического предприятия, на основе биоиндикационных методов исследования. Материалы и методы исследования Для обнаружения антропогенного воздействия были выбраны мониторинговые участки с разной техногенной нагрузкой. Геоботанические описания проведены методом пробных площадок размером 20 × 20 м2. Описания составлены по стандартной методике с применением шкалы обилия-покрытия Браун-Бланке [5, 6]. Многие виды обладают генотипической специфичностью, поэтому в разной степени реагируют на антропогенный стресс. Популярным методом для изучения антропогенного воздействия на фитоценозы является тест на корневых меристемах Allium сера L. (Allium-тест). Лук репчатый (Allium сера L.) содержит 16 хромосом (2n = 16), они хорошо окрашиваются и удобны для работы с микроскопом. В процессе лабораторного опыта, воздействуя различными концентратами растений Achilléa millefólium L., Calamagrostis arundinacea L. Roth., Filipendula vulgaris Moench., которые были собраны на мониторинговых участках, фиксировали частоту аномальных и нормальных митозов в клетках корневых меристем лука репчатого (Allium cepa L.). Экстракт разводили дистиллированной водой до нужной концентрации. После этого в приготовленный растительный экстракт помещали семена Allium cepa L. по 20 шт. в 3 чашки Петри на вариант. Лабораторный опыт проводился по стандартной ацетоорсеиновой методике [7]. Корешки лука извлекали из экстракта и фиксировали в уксусном алкоголе (3 части спирта и 1 часть ледяной уксусной кислоты), после чего промывали вначале разведенной в воде соляной кислотой (1 часть кислоты и 1 часть воды), затем окрашивали 2 %-м раствором ацетоорсеина (5-10 капель на 10 мл ледяной уксусной кислоты). Полученные материалы подвергнуты статистическому анализу, расчеты проведены с использованием специальных программ в пределах пакета EXCEL. При математической обработке данных рассчитывали среднее арифметическое (х), ошибку среднего арифметического (mх). Результаты исследования и их обсуждение Подбор мониторинговых площадок, расположенных в непосредственной близости от площадки строительства комплекса «ЗапСибНефтехим», осуществлялся с северной и восточной стороны в пределах санитарно-защитной зоны с учетом распространенных на них экосистем. В результате проведенных исследований были подобраны 3 участка, каждый имеет форму квадрата со стороной 20 м, площадью 400 м2. Северный мониторинговый участок (СМУ) (58° 16.563' С; 68° 28.446' В). Смешанный осиново-березовый лес крупнотравно-осочковый. Восточный мониторинговый участок (ВМУ) (58° 15.905' С; 68° 29.737' В). Осинник снытево-разнотравный. Контрольный участок (КУ) (58° 19.662' С; 68° 32.961' В). Cмешанный осиново-березовый лес крупнотравный. Выявлены общие виды для всех площадок: Achillea millefolium L., Aconitum septentrionale Koelle, Aegopodium podagraria L., Alchemilla sp., Angelica sylvestris L., Calamagrostis arundinacea (L.) Roth, Carex acutiformis Ehrh., Carex macroura Meinsh., Carex sp., Crepis sibirica L., Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, Equisetum sylvaticum L., Filipendula vulgaris Moench., Fragaria vesca L., Galium mollugo L., Geranium sylvaticum L., Hypericum maculatum Crantz, Lathyrus vernus (L.) Bernh., Lysimachia vulgaris L., Luzula pilosa (L.) Willd., Orthilia secunda (L.) House, Paris quadrifolia L. Одним из способов определения уровня антропогенной нагрузки на фитоценозы является биоиндикация. Это достаточно эффективный метод мониторинга окружающей среды, основанный на исследовании воздействия изменяющихся экологических факторов на различные характеристики биологических объектов и систем. Полученные данные, по оценке степени поглощения антропогенных поллютантов растениями, свидетельствуют о загрязнении исследуемой территории. В настоящем исследовании рассмотрена чувствительность и влияние токсических веществ на корневые меристемы лука репчатого (Allium cepa L). В лабораторных условиях исследовали частоту митозов в клетках корневых меристем Allium cepa L. Фиксировали разные типы митозов (аномальные и нормальные). Клетки корневых меристем Allium cepa L. обрабатывали экстрактами - 0,5 % концентрации растений тысячелистника обыкновенного (Achilléa millefólium L.), вейника тростникового (Calamagrostis arundinacea L. Roth), лабазника обыкновенного (Filipendula vulgaris Moench). Данные виды растений являются общими и доминирующими на изучаемых участках. Для определения антропогенной нагрузки на выбранные участки использовали Allium test с использованием Allium cepa L. Изменение митотической активности тканей корневой меристемы можно рассматривать как показатель негативного воздействия факторов на растения. В определяемых лабораторных вариантах, где семена Allium cepa L. были подвержены воздействию 0,5%-го раствора сока Achilléa millefólium L., определены следующие результаты. Число аномальных митозов контрольного участка (КУ) равно 98 штук. Это значительно меньше, чем на участках с наибольшей антропогенной нагрузкой: СМУ - 337, ВМУ - 312. Процент аномальных митозов в загрязненных фитоценозах варьировал от 29,88 до 31,20 %, нормальных - от 68,80 до 72,11 %. Таким образом, процент нормальных митозов превосходит процент образования аномальных митозов. Однако на долю аномальных митозов в антропогенных фитоценозахприходится значительная доля. Количество мутагенных митозов в клетках корневой меристемы Allium cepa L., обработанной экстрактами Calamagrostis arundinacea (L.) Roth, находится в интервале от 56 штук (КУ) до 217 штук (СМУ). Всего обнаружено 1012 (КУ), 875 (СМУ), 963 (ВМУ) штук митозов. Процент нормально проходящих митозов, обнаруженных в клетках корневой меристемы Allium cepa L., обработанной растительным экстрактом Filipendula vulgaris Moench, варьировал от 52 (СМУ) до 91 % (КУ). Количество мутагенных митозов наблюдалось в интервале от 140 штук (КУ) до 746 штук (СМУ). Таким образом, изучая частоту митозов, был выявлен участок с наибольшей антропогенной нагрузкой (СМУ) (табл.). Митозы в клетках корневой меристемы Allium cepa L., обработанной растительными экстрактами, n = 20 Участок Митозов, шт. Нормальные митозы, % Мутагенные митозы, % шт. % ± m % шт. % ± m % Achilléa millefólium L. СМУ 1080 743 68,80 ± 1,70* 337 31,20 ± 2,52* ВМУ 1044 732 72,11 ± 1,62* 312 29,88 ± 2,64* КУ 1420 1322 93,10 ± 0,70 98 16,90 ± 3,79 Calamagrostis arundinacea (L.) Roth СМУ 875 658 75,20 ± 1,31 217 24,80 ± 2,95* ВМУ 963 752 78,09 ± 1,51* 211 21,91 ± 2,85 КУ 1012 956 94,46 ± 0,74* 56 5,53 ± 0.71 Filipendula vulgaris Moench СМУ 1565 819 52,33 ± 1,71* 746 47,66 ± 2,65* ВМУ 896 623 69,53 ± 1,92* 273 30,46 ± 2,56* КУ 1596 1456 91,22 ± 1,22 140 8,77 ± 0,70 * Различия с контролем достоверны на уровне Р < 0,005. Результаты проведенных опытов показали, что даже в самой низкой (0,5 %) концентрации сок из растений, собранных с загрязненных участков, оказывал значимое угнетающее влияние на клетки Allium cepa L. Выводы Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что растительность мониторинговых участков испытывает антропогенную нагрузку. Продемонстрировано, что наибольшее угнетение испытывает экосистема СМУ. В более благоприятных условиях находится территория ВМУ. При воздействии растительных концентрированных растворов на клетки корневой меристемы Allium cepa L., обнаружено, что происходит увеличение количества мутагенных митозов: 29,88-31,20 % (Achilléa millefólium L.); 21,91-24,80 % (Calamagrostis arundinacea L. Roth); 30,46-47,66 % (Filipendula vulgaris Moench). В контроле - 16,90 % (Achilléa millefólium L.); 5,53 % (Calamagrostis arundinacea L. Roth); 8,77 % (Filipendula vulgaris Moench). Полученные экспериментальные данные позволяют считать, что Allium test с использованием Allium cepa L. может быть применен в качестве тест-объекта в рамках биомониторинга окружающей среды.
1. Il'minskih N. G. Artefakty pri issledovanii florogeneza // VII Zyryanovskie chteniya: materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. (Kurgan, 10-11 dekabrya 2009 g.). Kurgan: Izd-vo KGU, 2009. S. 212.
2. Gorchakovskiy P. L., Shurova E. A. Redkie i ischezayuschie rasteniya Urala i Priural'ya. M.: Nauka, 1982. 208 s.
3. Dore C., Marie F. Production of Gynogenetic Plants of Onion (Allium cepa L.) after Crossing with Irradiated Pollen // Plant Breeding. 1993. No. 111. P. 142-147.
4. Shaw M. L., Lancaster J. E., Lane G. A. Quantitative analysis of the major γ glutamyl peptides in onion bulbs (Allium cepa) // J. Sci. Food Agric. 1989. No. 48. P. 459-467. DOIhttps://doi.org/10.1002/jsfa.2740480408.
5. Alehin V. V. Metodika polevogo izucheniya rastitel'nosti i flory. M.: Narkompros, 1938. 208 s.
6. Shmidt V. M. Statisticheskie metody v sravnitel'noy floristike. L.: Izd-vo Leningr. un-ta, 1980. 176 s.
7. Pausheva Z. P. Praktikum po citologii rasteniy. M: Nauka, 1974. 237 s.
