Streszczenie pracy - Uniwersytet Zielonogórski
Transkrypt
Streszczenie pracy - Uniwersytet Zielonogórski
Koim-Puchowska B. 2013. Kondycja roślin w warunkach stresu środowiskowego. PhD Thesis, Uniwersytet Zielonogórski, Bydgoszcz, 267 ss. Rośliny reagują najszybciej na zmiany chemiczne w środowisku, ze względu na brak rozwiniętych mechanizmów utrzymujących równowagę jonową i dlatego stosunkowo szybko zachodzi w nich proces adaptacji, który w konsekwencji rzutuje nawet na ich dalszy rozwój genetyczny. Zmienność reakcji roślin na zasolenie definiuje szeroki zakres tolerancji, od wrażliwych na sól glikofitów do tolerancyjnych halofitów. Biodostępność pierwiastków dla roślin jest uwarunkowana czynnikami glebowymi ale również jest uzależniona od gatunku, organu (tkanki) i fizjologii. Słabe działanie bariery fizjologicznej w roślinach, przy pobieraniu składników chemicznych ze środowiska, stwarza duże ryzyko włączenia pierwiastków toksycznych w system łańcucha troficznego. Wspólnym elementem odpowiedzi roślin na różne czynniki stresowe jest generowanie reaktywnych form tlenu. Zaburzenie homeostazy reakcji utleniania i redukcji prowadzi do stanu zwanego stresem oksydacyjnym, objawiającego się m.in. niespecyficznym utlenianiem lipidów. Produktem lipoperoksydacji jest dialdehyd malonowy, a system antyoksydacyjny roślin jest regulowany w zależności od warunków środowiska. Komponentami systemu antyoksydacyjnego są enzymy antyoksydacyjne, m.in. dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydazy, ale także drobnocząsteczkowe antyoksydanty, m.in. prolina. Prolina jest ponadto najbardziej rozpowszechnioną substancją kompatybilną roślin wyższych. W niniejszej pracy przeanalizowano środowiskowe uwarunkowania kondycji dwóch grup ekologicznych roślin: glikofitów i halofitów, występujących na terenach o różnym stopniu degradacji środowiska. Zbadano zdolności bioakumulacyjne pierwiastków chemicznych (Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Se, Al, Mo, Pb, Cd, Ni, Cr) przez korzenie i części nadziemne wybranych roślin. Określono również wartości parametrów glebowych (odczyn, przewodność elektrolityczna, procentowa zawartość materii organicznej, koncentracja pierwiastków chemicznych w ryzosferze roślin), stopień mobilności wybranych pierwiastków z korzenia do części nadziemnej i zbadano różnice parametrów morfologicznych (długość pędu) i aktywności mechanizmów antyoksydacyjnych (aktywność dysmutazy ponadtlenkowej, katalazy, peroksydazy askorbinianowej, stężenie proliny) oraz zróżnicowania stopnia lipoperoksydacji (steżenie dialehydu malonowego) u roślin w odpowiedzi na stres środowiskowy. Wśród glikofitów badaniom poddano bez czarny Sambucus nigra (N=81), trzcinę pospolitą Phragmites australis (N=85) i grupę roślin zielnych nie będących krzewami, ani makrofitami (N= 220), tj. krwawnik pospolity Achillea millefolium, pokrzywa zwyczajna Urtica dioica, ostrożeń polny Cirsium arvense, łopian większy Arctium lappa. Wśród halofitów wyróżniono mannicę odstającą Puccinellia distans (N=28) i soliród zielny Salicornia europaea (N=23). Badania prowadzono na obszarze tzw. Inowrocławskiego Regionu Zagrożenia Ekologicznego: 1) okolice zakładów sodowych (SM), 2) wysypiska i tereny sąsiadujące (AE), 3) okolice zbiorników/cieków wodnych (WE), 4) obszary użytkowane rolniczo (AGRE). 5) Środowisko kontrolne (C) stanowiły tereny Borów Tucholskich. Próby gleb poddano suszeniu przy użyciu komory badań cieplnych laboratoryjnego typu Memmert (do stałej masy, temperatura 65˚C), następnie homogenizowano w moździerzu porcelanowym oraz przesiano przez sito o średnicy oczek 1 mm. Korzenie oczyszczono z resztek gleby pod strumieniem wody bieżącej i przepłukano trzykrotnie wodą destylowaną. Podobnie części nadziemne przepłukano trzykrotnie wodą destylowaną. Materiał rozdzielono na dwie części. Część przeznaczoną do analiz biochemicznych poddano homogenizacji i przechowywano zamrożoną w temperaturze – 80°C. Część przeznaczona do analiz pierwiastków chemicznych została wysuszona podobnie, jak próby gleb, w temperaturze 65˚C, do stałej masy, za pomocą systemu Memmert, i była homogenizowana w moździerzu porcelanowym. Koncentrację pierwiastków chemicznych zbadano za pomocą metody ICP MS przy użyciu aparatu AGILENT 7500CE, po wcześniejszej mineralizacji materiału. Odczyn gleby (pH) określono za pomocą pH-metru w roztworze 1M KCl (pomiar kwasowości potencjalnej) i wodzie destylowanej (pomiar kwasowości czynnej) metodą potencjometryczną. Zasolenie (Ec) gleb zbadano metodą konduktometryczną. Określono również zawartość procentową węgla organicznego za pomocą metody prażeniowej (Szczepaniak 1996, Więckowska 1997). Analizę aktywności enzymów antyoksydacyjnych, zawartości dialdehydu malonowego i proliny wykonano w supernatancie uzyskanym z pobranego materiału roślinnego ściśle według dostępnych metodyk: dysmutaza ponadtlenkowa (Beauchamp, Fridovich 1971), katalaza (Aebi (1984), Scebba (1998), peroksydaza askorbinianowa (Nakano, Asada 1981), dialdehyd malonowy (Heath, Packer 1967), Okhawa i in. 1979), prolina (Bates i in. 1973). Analizę statystyczną (poziom istotności α=0.05) wykonano stosując program STATISTICA, v. 8.0 oraz Microsoft Office Excel 2007. Badania w ramach niniejszej pracy pozwoliły wykazać prawidłowości: 1) wzrost odczynu (pH) i zasolenia (Ec) gleb na obszarach silnie związanych z gospodarką sodową (SM, AE); 2) wzrost stężenia K i Mn w glebie na terenach użytkowanych rolniczo (AGRE); 3) intensywną bioakumulację K i Mo w przeciwieństwie do Mn, Co, Al, As, Fe, Pb przez wybrane rośliny; 4) intensywną fitoakumulację Na, Mg, Ca, Cu, Zn, Ni, Cr, Cd w zależności od gatunku/grupy roślin i środowiska; 5) zwiększoną mobilność K, Mo z korzeni do części nadziemnych badanych roślin; 6) zwiększoną koncentrację Ca, Mg, Zn, Cu, Mn, Se, Pb i Cd w korzeniach mannicy odstającej, w porównaniu z częściami nadziemnymi; 7) zwiększoną koncentrację Na, Cd i Se w częściach nadziemnych, niż w korzeniach soliroda zielnego; 8) możliwość fitoakumulacji Ca, Mg, Cu, Zn, Mn i Se, zarówno w korzeniach, jak i w częściach nadziemnych wybranych glikofitów i soliroda zielnego; 9) zwiększoną akumulację Cd przez korzenie glikofitów; 10) zwiększoną koncentrację Na w organach halofitów, w porównaniu z glikofitami; 11) wyższy stopień lipoperoksydacji w częściach nadziemnych glkofitów i mannicy odstającej względem soliroda zielnego w środowiskach silnie zmienionych antropogenicznie (SM, AE); 12) wyższe stężenie proliny głównie w organach trzciny pospolitej wraz ze wzrostem zanieczyszczenia środowiska; 13) krótsze pędy glikofitów w środowiskach zasolonych; 14) liczne interakcje ujemne i dodatnie pomiędzy stężeniem Na, K, Ca i Mg a stężeniem Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Se, Al, Mo, Pb, Cd, Ni i Cr; 15) liczne interakcje dodatnie i ujemne pomiędzy koncentracją pierwiastków chemicznych i parametrami biochemicznymi (dysmutazą ponadtlenkową, katalazą, peroksydazą askorbinową, dialdehydem malonowym, proliną). Na podstawie uzyskanych wyników można wnioskować, iż przemysł sodowo-solny oddziałuje w znaczącym stopniu na stan środowiska Kujaw poprzez zmianę chemizmu gleb, co wpływa na fitoakumulację pierwiastków chemicznych i kondycję roślin, zwłaszcza glikofitów. Znaczny poziom uszkodzenia błon komórkowych i zmiany morfologiczne glikofitów stanowią dowód na niedostateczne funkcjonowanie mechanizmów antyoksydacyjnych w zmienionych antropogenicznie środowiskach. Jednocześnie na podstawie uzyskanych wyników nie można wskazać jednoznacznie wpływu stresu solnego za główną przyczynę zmian aktywności roślinnych enzymów antyoksydacyjnych. Liczne korelacje pomiędzy stężeniem pierwiastków chemicznych, aktywnością enzymów antyoksydacyjnych i intensywnością lipoperoksydacji u różnych grup roślin, sugerują współdziałanie i wzajemną regulację oddziaływań pierwiastków i mechanizmów obronnych u roślin w warunkach stresu środowiskowego. Soliród zielny jest gatunkiem wybitnie przystosowanym do życia w warunkach silnego zasolenia, a ponadto charakteryzuje się potencjalnymi możliwościami fitoakumulacji kadmu w częściach nadziemnych. Z kolei mannica odstająca stanowi przykład rośliny wykazującej zdolność kumulacji pierwiastków chemicznych głównie w korzeniach. Wśród glikofitów trzcina pospolita stanowi gatunek wykazujący zmiany w zawartości proliny, prawdopodobnie w odpowiedzi na stres solny. Potrzebne są dalsze badania w warunkach naturalnych, w celu uzyskania dalszych informacji odnośnie ekofizjologicznych uwarunkowań kondycji roślin w warunkach stresogennych środowiska.