Комплексная оценка морфо-физиологических признаков Нelianthus annuus L. при комбинированном стрессе

В настоящее время загрязнение тяжелыми металлами является глобальной проблемой для продовольственной безопасности. При этом уровень накопления таких поллютантов растениями зависит от погодных условий. Проведены отдельные экспериментальные серии исследований по оценке индивидуального и совместного влияния двух факторов стресса (нехватка влаги и загрязнение тяжелыми металлами) на морфометрические показатели растений подсолнечника, его физиологию и антиоксидантный статус. Показано достоверное влияние стресса от засухи на снижение длины побега, удлинение корня и изменение формы семядолей у подсолнечника. Максимальные концентрации малонового диальдегида (МДА), как маркера степени стресса растений, наблюдаются при индивидуальном воздействии засухи на подсолнечник, а также в комбинации с тяжелыми металлами. Индивидуальное влияние факторов стресса приводит к инактивации низкомолекулярной антиоксидантной системы. При взаимном воздействии стрессоров, наоборот, происходит активирование низкомолекулярной антиоксидантной системы как первичной защиты растительного организма на фоне снижения уровня фотосинтетических пигментов. Экспериментально показано, что аридизация климатических условий (засуха) усиливает накопление подсолнечником кадмия без видимых изменений в морфометрии надземной биомассы и на фоне разрастания корневой системы за счет увеличения количества боковых корней. Свинец оказался наиболее токсичным при индивидуальном воздействии, приводящем к линейному снижению содержания фотосинтетических пигментов при увеличении концентрации металла в субстрате.

1. Chen Y.-G., He X.-L.-S., Huang J.-H., Luo R., Ge H.-Z., Wołowicz A., Wawrzkiewicz M., GładyszPłaska A., Li B., Yu Q.-X., Kołodyńska D., Lv G.-Y., Chen S.-H. Impacts of heavy metals and medicinal crops on ecological systems, environmental pollution, cultivation, and production processes in China // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021. V. 219. Art. 112336. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112336.

2. Khalid M.F., Khan R.I., Jawaid M.Z., Shafqat W., Hussain S., Ahmed T., Rizwan M., Ercisli S., Pop O.L., Marc R.A. Nanoparticles: The plant saviour under abiotic stresses // Nanomaterials. 2022. V. 12, No 21. Art. 3915. https://doi.org/10.3390/nano12213915.

3. Nguyen T.Q., Sesin V., Kisiala A., Emery R.J.N. Phytohormonal roles in plant responses to heavy metal stress: Implications for using macrophytes in phytoremediation of aquatic ecosystems // Environ. Toxicol. Chem. 2021. V. 40, No 1. Р. 7–22. https://doi.org/10.1002/etc.4909.

4. Hailegnaw N.S., Mercl F., Pračke K., Praus L., Száková J., Tlustoš P. The role of biochar and soil properties in determining the available content of Al, Cu, Zn, Mn, and Cd in soil // Agronomy. 2020. V. 10, No 6. Art. 885. https://doi.org/10.3390/agronomy10060885.

5. Akbar W.A., Rahim H.U., Irfan M., Sehrish A.K., Mudassir M. Assessment of heavy metal distribution and bioaccumulation in soil and plants near coal mining areas: Implications for environmental pollution and health risks // Environ. Monit. Assess. 2024. V. 196, No 1. Art. 97. https://doi.org/10.1007/s10661-023-12258-7.

6. Iqbal Z., Imran M., Natasha, Rahman G., Miandad M., Shahid M., Murtaza B. Spatial distribution, health risk assessment, and public perception of groundwater in Bahawalnagar, Punjab, Pakistan: A multivariate analysis // Environ. Geochem. Health. 2023. V. 45, No 2. Р. 381–391. https://doi.org/10.1007/s10653-021-01182-9.

7. Pasricha S., Mathur V., Garg A., Lenka S., Verma K., Agarwal S. Molecular mechanisms underlying heavy metal uptake, translocation and tolerance in hyperaccumulators-an analysis: Heavy metal tolerance in hyperaccumulators // Environ. Challenges. 2021. V. 4. Art. 100197. https://doi.org/10.1016/j.envc.2021.100197.

8. Riyazuddin R., Nisha N., Ejaz B., Khan M.I.R., Kumar M., Ramteke P.M., Gupta R. A comprehensive review on the heavy metal toxicity and sequestration in plants // Biomolecules. 2022. V. 12, No 1. Art. 43. https://doi.org/10.3390/biom12010043.

9. Thakur M., Praveen S., Divte P.R., Mitra R., Kumar M., Gupta C.K., Kalidindi U., Bansal R., Roy S., Anand A., Singh B. Metal tolerance in plants: Molecular and physicochemical interface determines the “not so heavy effect” of heavy metals // Chemosphere. 2022. V. 287, Pt 1. Art. 131957. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131957.

10. Kama R., Liu Y., Zhao S., Hamani A.K.M., Song J., Cui B., Aidara M., Liu C., Li Z. Combination of intercropping maize and soybean with root exudate additions reduces metal mobility in soilplant system under wastewater irrigation // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2023. V. 266. Art. 115549. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.115549.

11. Haider F.U., Liqun C., Coulter J.A., Cheema S.A., Wu. J., Zhang R., Wenjun M., Farooq M. Cadmium toxicity in plants: Impacts and remediation strategies // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021. V. 211. Art. 111887. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111887.

12. Ismael M.A., Elyamine A.M., Moussa M.G., Cai M., Zhao X., Hu C. Cadmium in plants: Uptake, toxicity, and its interactions with selenium fertilizers // Metallomics. 2019. V. 11, No 2. Р. 255–277. https://doi.org/10.1039/c8mt00247a.

13. Karalija E., Selović A., Bešta-Gajević R., Šamec D. Thinking for the future: Phytoextraction of cadmium using primed plants for sustainable soil clean-up// Physiol. Plant. 2022. V. 174, No 4. Art. e13739. https://doi.org/10.1111/ppl.13739.

14. Keshavarzi A., Kumar V. Spatial distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in agricultural soils of Northeastern Iran // Geol., Ecol., Landscapes. 2019. V. 4, No 2. Р. 87–103. https://doi.org/10.1080/24749508.2019.1587588.

15. Fasani E., Giannelli G., Varotto S., Visioli G., Bellin D., Furini A., DalCorso G. Epigenetic control of plant response to heavy metals // Plants. 2023. V. 12, No 18. Art. 3195. https://doi.org/10.3390/plants12183195.

16. Hu Z., Zhao C., Li Q, Feng Y., Zhang X., Lu Y., Ying R., Yin A., Ji W. Heavy metals can affect plant morphology and limit plant growth and photosynthesis processes // Agronomy. 2023. V. 13, No 10. Art. 2601. https://doi.org/10.3390/agronomy13102601.

17. Makuch-Pietraś I., Grabek-Lejko D., Górka A., Kasprzyk I. Antioxidant activities in relation to the transport of heavy metals from the soil to different parts of Betula pendula (Roth.) // J. Biol. Eng. 2023. V. 17, No 1. Art. 19. https://doi.org/10.1186/s13036-022-00322-8.

18. Liu C., Guo B., Li H., Fu Q., Li N., Lin Y., Xu G. Azolla incorporation under flooding reduces grain cadmium accumulation by decreasing soil redox potential // Sci. Rep. 2021. V. 11. Art. 6325. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85648-x.

19. Fan P., Wu L., Wang Q., Wang Y., Luo H., Song J., Yang M., Yao H., Chen S. Physiological and molecular mechanisms of medicinal plants in response to cadmium stress: Current status and future perspective // J. Hazard. Mater. 2023. V. 450. Art. 131008. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131008.

20. Goncharuk E.A., Zagoskina N.V. Heavy metals, their phytotoxicity, and the role of phenolic antioxidants in plant stress responses with focus on cadmium: Review // Molecules. 2023. V. 28, No 9. Art. 3921. https://doi.org/10.3390/molecules28093921.

21. Guo Z., Gao Y., Yuan X., Yuan M., Huang L., Wang S., Liu C., Duan C. Effects of heavy metals on stomata in plants: A review // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24, No 11. Art. 9302. https://doi.org/10.3390/ijms24119302.

22. Hlihor R.M., Roșca M., Hagiu-Zaleschi L., Simion I.M., Daraban G.M., Stoleru V. Medicinal plant growth in heavy metals contaminated soils: Responses to metal stress and induced risks to human health // Toxics. 2022. V. 10, No 9. Art. 499. https://doi.org/10.3390/toxics10090499.

23. Mansoor S., Ali A., Kour N., Bornhorst J., AlHarbi K., Rinklebe J., Abd El Moneim D., Ahmad P., Chung Y.S. Heavy metal induced oxidative stress mitigation and ROS scavenging in plants // Plants. 2023. V. 12, No 16. Art. 3003. https://doi.org/10.3390/plants12163003.

24. Abbas T., Rizwan M., Ali S., Adrees M., Mahmood A., Zia-Ur-Rehman M., Ibrahim M., Arshad M., Qayyum M.F. Biochar application increased the growth and yield and reduced cadmium in drought stressed wheat grown in an aged contaminated soil // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018. V. 148. Р. 825–833. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.11.063.

25. Adrees M., Khan Z.S., Ali S., Hafeez M., Khalid S., Zia Ur Rehman M., Hussain A., Hussain K., Chatha S.A.S., Rizwan M. Simultaneous mitigation of cadmium and drought stress in wheat by soil application of iron nanopartiсles // Chemosphere. 2020. V. 238. Art. 124681. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.124681.

26. Nazarova N., Fedorova D., Gvozdikova A. Determination of the mechanisms of resistance of Helianthus annuus L. to drought using the osmopriming method // E3S Web of Conf. 2024. V. 539. Art. 01044. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202453901044.

27. Ahmed T., Noman M., Manzoor N., Shahid M., Abdullah M., Ali L., Wang G., Hashem A., Al-Arjani A.-B.F., Alqarawi A.A., Abd-Allah E.F., Li B. Nanoparticle-based amelioration of drought stress and cadmium toxicity in rice via triggering the stress responsive genetic mechanisms and nutrient acquisition // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021. V. 209. Art. 111829. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111829.

28. Benavides B.J., Drohan P.J., Spargo J.T., Maximova S.N., Guiltinan M.J., Miller D.A. Cadmium phytoextraction by Helianthus annuus (sunflower), Brassica napus cv Wichita (rapeseed), and Chyrsopogon zizanioides (vetiver) // Chemosphere. 2021. V. 265. Art. 129086. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.129086.

29. Akhter N., Habiba O., Hina M., Muhammad M.S., Alzuaibr F.M., Alamri S., Hashem M., Khalid N., Aqeel M., Noman A. Structural, biochemical, and physiological adjustments for toxicity management, accumulation, and remediation of cadmium in wetland ecosystems by Typha domingensis Pers // Water, Air, Soil Pollut. 2022. V. 233, No 5. Art. 151. https://doi.org/10.1007/s11270-022-05613-w.

30. Fu Y., Zhatova H., Li Y., Liu Q., Trotsenko V., Li C. Physiological and transcriptomic comparison of two sunflower (Helianthus annuus L.) cultivars with high/low cadmium accumulation // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. Art. 854386. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.854386.

31. Практикум по физиологии растений / под ред. Третьякова Н.Н. М.: КолосС, 2003. 288 с.

32. Шлык А.А. О спектрофотометрическом определении хлорофиллов a и b // Биохимия. 1968. Т. 33, вып. 2. С. 275–285.

33. Chance B., Maehly A.C. Assay of catalases and peroxidases // Methods Enzymol. 1955. V. 2. P. 764–775. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(55)02300-8.

34. Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts: I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. 1968. V. 125, No 1. P. 189–198. https://doi.org/10.1016/0003-9861(68)90654-1.

35. Попова О.С., Скрыпник Л.Н. Сравнительная характеристика эффективности различных методов экстракции полифенолов из растений семейства Яснотковые // Успехи современного естествознания. 2017. № 6. С. 34–38.

36. Каримов Д.Р., Макаров В.В., Кручин С.О., Березин Д.Б., Смирнова Н.Л., Березин М.Б., Желтова Е.И., Стрельников А.И., Кустов А.В. Оптимизация условий выделения хлорофиллов из крапивы двудомной (Urtica dioica L.) и спирулины (Spirulina platensis) // Химия растит. сырья. 2014. № 4. С. 189–196. https://doi.org/10.14258/jcprm.201404310.

37. Singleton V.L., Rossi J.A. Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents // Am. J. Enol. Vitic. 1965. V. 16, No 3. P. 144–158. https://doi.org/10.5344/ajev.1965.16.3.144.

38. Серегин И.В. Распределение тяжелых металлов в растениях и их действие на рост: дис. … докт. биол. наук. Москва, 2009. 333 с.

39. Munzuroglu O., Geckil H. Effects of metals on seed germination, root elongation, and coleoptile and hypocotyl growth in Triticum aestivum and Cucumis sativus // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2002. V. 43, No 2. P. 203–213. https://doi.org/10.1007/s00244-002-1116-4.

40. Тютерева Е.В., Дмитриева В.А., Войцеховская О.В. Хлорофилл b как источник сигналов, регулирующих развитие и продуктивность растений //Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52, № 5. С. 843–855. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2017.5.843rus.

41. Tukendorf A., Baszyński T. The in vivo effect of cadmium on photochemical activities in chloroplasts of runner bean plants // Acta Physiol. Plant. 1991. V. 13, No 1. P. 51–57.

42. Зарипова Н. Р. Действие избыточных концентраций тяжелых металлов на экспрессию хлоропластных генов растений ячменя: дис. … канд. биол. наук. Москва, 2008. 144 c.

43. Гарифзянов А.Р., Жуков Н.Н., Иванищев В.В. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 2. С. 26–32.