Одной из модельных тест-культур в цитогенетике, использующейся для оценки цито- и генотоксических эффектов различных химических веществ, являются луковицы Allium cepa [1]. Клетки апикальной меристемы корней данной культуры являются удобным материалом для оценки цитогенетических нарушений, индуцируемых различными химическими соединениями [2–4]. К настоящему времени на Allium cepa подробно изучена цито- и генотоксичность различных химических соединений, а также отдельных компонентов окружающей среды [5–7].
В наших исследованиях на Allium cepa подробно изучены фито- и цитогенотоксические свойства одного из видов противогололедных материалов (ПГМ) как отдельной группы химических соединений, обладающих фитотоксичностью [8]. В продолжение исследований проводится комплексная оценка цито- и генотоксических эффектов других видов ПГМ, в рамках которой исследуется аккумуляция химических соединений ПГМ в тест-культуре Allium cepa.
Цель работы: оценка аккумуляции компонентов ПГМ в тест-культуре Allium cepa при ее контактном взаимодействии с водными растворами реагентов.
Материалы и методы исследования
Экспериментальные исследования проводились на двух модельных образцах ПГМ с различным химическим составом: твердый ПГМ1 (NaCl 91 %; СaCl2 8,7 %) и жидкий ПГМ2 (25 %-ный раствор MgCl2).
Луковицы проращивались в условиях непосредственного контакта корней Allium cepa с растворами ПГМ в течение трех суток в условиях постоянной температуры: +25(±1) °C. Контрольные луковицы проращивались на дистиллированной воде. Диапазон тестируемых концентраций ПГМ1 и ПГМ2 был выбран исходя из задач, определенных в рамках комплексного исследования цито- и генотоксических свойств ПГМ с использованием тест-культуры Allium cepa.
Таблица 1
Объем исследований и схема эксперимента
|
Направление исследований |
Метод исследования |
Характеристика исследуемых объектов |
Количество проб (повторность) |
|
Анализ химического состава экспериментальных луковиц Allium cepa |
ИСП-МС, элементный анализ (минерализация растительного материала в системе микроволнового разложения проб |
Экспериментальные луковицы, выращенные на модельных растворах ПГМ1 и ПГМ2 (концентрации: 0, 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 5; 10; 20 г/л) |
27 на каждый исследуемый образец ПГМ (3-кратная повторность для каждой концентрации) |
Таблица 2
Катионно-анионный состав луковиц Allium cepa, выращенных на растворах ПГМ1 с различной концентрацией по основным ионам (Na+, Ca2+, Cl-)
|
Концентрация растворов ПГМ, г/л |
Концентрация ионов в луковицах, мг/г |
Массовая доля ионов в луковицах, % |
|||||
|
Na+ |
Ca2+ |
Cl- |
сумма ионов (Na+,Ca2+,Cl-) |
Na+ |
Ca2+ |
Cl- |
|
|
контроль |
0,1 |
0,4 |
1,3 |
1,8 |
5,5 |
22,3 |
72,1 |
|
0,5 |
0,14 |
0,5 |
1,1 |
1,8 |
7,5 |
29,1 |
63,4 |
|
1 |
0,15 |
0,4 |
1,1 |
1,7 |
8,9 |
24,6 |
66,5 |
|
1,5 |
0,11 |
0,7 |
1,3 |
2,1 |
5,3 |
33,3 |
61,4 |
|
2 |
0,16 |
0,6 |
1,4 |
2,1 |
7,3 |
28,5 |
64,1 |
|
2,5 |
0,23 |
0,4 |
1,4 |
2,0 |
11,9 |
19,7 |
68,4 |
|
5 |
0,29 |
0,7 |
1,4 |
2,3 |
12,4 |
29,2 |
58,4 |
|
10 |
0,37 |
0,5 |
1,6 |
2,5 |
15,0 |
21,5 |
63,5 |
|
20 |
0,55 |
0,4 |
1,1 |
2,0 |
27,5 |
19,4 |
53,1 |
Химический анализ растворов ПГМ и луковиц проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) в соответствии с ГОСТ [9]. Пробы растительного материала для элементного анализа готовили с использованием микроволновой системы разложения проб под давлением. Объем исследований представлен в табл. 1.
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом корреляционного анализа с помощью непараметрического коэффициента корреляции рангов Спирмена при использовании компьютерных программ Microsoft Office Excel 2010 г. и Statistica 10.
Результаты исследования и их обсуждение
В табл. 2 представлены данные по основным катионам и анионам ПГМ1, определенным в составе луковиц Allium cepa, выращенных на дистиллированной воде без добавления реагента (контроль) и на растворах тестируемого вещества (ПГМ1) в разных дозах.
На основе экспериментальных данных определено количественное соотношение основных компонентов ПГМ1 в составе опытных луковиц. В частности, установлено увеличение суммарного количества ионов (Na+, Ca2+, Cl-) с ростом их концентрации в растворах ПГМ1, на которых проращивались луковицы по сравнению с контролем. Следует также отметить, что динамика аккумуляции отдельных ионов существенно отличается.
Рассчитывали коэффициент, отражающий степень аккумуляции ионов в тест-культуре Allium cepa, по формуле: К = Со/Ск, где Со – концентрация определяемого иона в опытном варианте эксперимента, Ск – концентрация определяемого иона в контроле. Установлена тенденция увеличения концентрации данного элемента в луковицах Allium cepa с ростом концентрации раствора ПГМ1 (табл. 3).
Таблица 3
Величины коэффициентов, характеризующие степень накопления ионов ПГМ в луковицах Allium cepa относительно контроля
|
Концентрация ПГМ1 в растворе, г/л |
Na+ |
Ca2+ |
Cl- |
|
0,5 |
1,4 |
1,3 |
0,9 |
|
1 |
1,6 |
1,1 |
0,9 |
|
1,5 |
1,1 |
1,7 |
1,0 |
|
2 |
1,6 |
1,5 |
1,1 |
|
2,5 |
2,4 |
1,0 |
1,1 |
|
5 |
2,9 |
1,7 |
1,1 |
|
10 |
3,8 |
1,3 |
1,2 |
|
20 |
5,6 |
1,0 |
0,8 |
Таблица 4
Данные корреляционного анализа зависимости концентрации ионов ПГМ1 в растворе и содержания ионов в луковицах Allium cepa
|
Ион |
Число луковиц |
Коэффициент ранговой корреляции Спирмена R |
p* |
|
Na+ |
24 |
0,9732 |
0,003 |
|
Ca2+ |
24 |
–0,3562 |
0,529 |
|
Cl- |
24 |
–0,1257 |
0,199 |
Примечание. *p-уровень значимости коэффициентов корреляции в соответствии с t-критерием Стьюдента.
Оценка связи между количественным составом ионов в растворах ПГМ1 и в луковицах проводилась методом корреляционного анализа (табл. 4, рис. 1–3). Выявлено, что в пределах изученного диапазона концентраций ПГМ1 (от 0,1 до 20 г/л) имеется прямая значимая корреляционная связь (R = 0,9, P = 0,003) между количеством ионов Na+ в растворе ПГМ1 и в луковицах Allium cepa. Линии регрессии для Сa2+; Cl- показывают обратную зависимость количества ионов в растворах и луковицах, при этом корреляционных связей по данным элементам не выявлено (табл. 4, рис. 2, 3). Таким образом, данные свидетельствуют об избирательной аккумуляции луковицами Na+ при проращивании тест-культуры Allium cepa на растворах ПГМ1.
В табл. 5 представлены данные по количественному составу основных ионов ПГМ2 в луковицах Allium cepa после их проращивания в растворах реагента. Согласно полученным данным выявлена тенденция аккумуляции луковицами катиона магния (Mg2+) относительно контроля. Схожая тенденция прослеживается по общему количеству ионов ПГМ2 (Mg + Cl2) для луковиц, выращенных на растворах с высокой концентрацией ПГМ (10 и 20 г/л) (табл. 5).
Рис. 1. Зависимость содержания ионов Na+ в тест-культуре Allium cepa от концентрации раствора ПГМ1
Рис. 2. Зависимость содержания ионов Ca2+ в тест-культуре Allium cepa от концентрации раствора ПГМ1
Рис. 3. Зависимость содержания ионов Cl- в тест-культуре Allium cepa от концентрации раствора ПГМ1
Таблица 5
Катионно-анионный состав луковиц Allium cepa, выращенных на растворах ПГМ2
|
Концентрация ПГМ, г/л |
Концентрация ионов в луковице, мг/г |
Сумма ионов (Mg2+ + Сl-) |
Массовая доля ионов в луковицах, % |
||
|
Mg2+ |
Сl- |
Mg2+ |
Сl- |
||
|
контроль |
0,15 |
1,16 |
1,31 |
11,37 |
88,63 |
|
0,5 г/л |
0,14 |
0,72 |
0,86 |
16,74 |
83,26 |
|
1 г/л |
0,15 |
0,78 |
0,93 |
16,41 |
83,59 |
|
1,5 г/л |
0,21 |
1,01 |
1,22 |
16,95 |
83,05 |
|
2 г/л |
0,21 |
0,64 |
0,85 |
24,93 |
75,07 |
|
2,5 г/л |
0,22 |
0,46 |
0,68 |
32,11 |
67,89 |
|
5 г/л |
0,22 |
0,46 |
0,68 |
32,41 |
67,59 |
|
10 г/л |
0,67 |
1,55 |
2,22 |
30,05 |
69,95 |
|
20 г/л |
0,90 |
1,67 |
2,57 |
34,85 |
65,15 |
Рис. 4. Зависимость содержания ионов Mg2+ в тест-объекте от концентрации раствора ПГМ2
Выявлена положительная значимая корреляция (P = 0,004) между содержанием Mg2+ в луковицах и в растворах ПГМ2, характеризующаяся наличием сильной связи (R = 0,9) между оцениваемыми показателями (R = 0,9) (табл. 6, рис. 4). Напротив, значимой корреляционной зависимости между анионом Сl- в составе луковиц и в растворе ПГМ2 не установлено (P = 0,5).
Таблица 6
Данные корреляционного анализа зависимости концентрации ионов ПГМ2 в растворе и содержания ионов в луковицах Allium cepa
|
Ион |
Число луковиц |
Коэффициент ранговой корреляции Спирмена R |
p* |
|
Mg2+ |
24 |
0,969 |
0,001 |
|
Cl- |
24 |
0,805 |
0,529 |
Примечание. *p-уровень значимости коэффициентов корреляции в соответствии с t-критерием Стьюдента.
Заключение
Таким образом, исследование химического состава луковиц после контактного взаимодействии корневой системы Allium cepa с растворами ПГМ позволило выявить избирательное накопление катионов Na+ и Mg2+ в растительной массе тест-культуры, используемой при оценке цито- и генотоксичности ПГМ. Представляется интересным дальнейшее изучение взаимосвязи между количественным содержанием аккумулированных компонентов ПГМ в тест-культуре и токсическими эффектами, регистрируемыми в клетках корневой меристемы Allium cepa.