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.