Сорта гороха посевного (Pisum sativum L.) с низкой аккумуляцией тяжелых металлов из загрязненной почвы

При нарастающем антропогенном загрязнении среды особую актуальность приобретает поиск экологически безопасных и энергосберегающих подходов для развития устойчивого земледелия и обеспечения населения качественными продуктами питания. Тяжелые металлы (ТМ) (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn), относящиеся к высшему классу гигиенической опасности, — один из самых распространенных загрязнителей почвы. Общая площадь загрязненных ТМ сельскохозяйственных земель в России составляет около 150 тыс. га (1). В основном это почвы со средней или слабой загрязненностью ТМ, которая не оказывает токсичного действия на рост

Работа выполнена при поддержке РНФ (экспериментальная часть — за счет проекта ¹ 14-16-00137, статистическая и биоинформационная обработка данных — за счет проекта ¹ 14-26-00094).

растений, но приводит к превышению предельно допустимого содержания ТМ для сельскохозяйственной продукции. Очистка (ремедиация) таких территорий чрезвычайно затруднительна, дорогостояща или невозможна. Перспективным подходом для получения экологически чистой продукции может быть селекция сортов с пониженной аккумуляцией тяжелых металлов (2-4) в противоположность технологиям фитоэкстракции (5).

Известно, что многие сельскохозяйственные культуры, включая бобовые (6-8), масличные (7, 8) и злаковые (9-11), значительно различаются по степени накопления ТМ. Описан также высокий внутривидовой полиморфизм по содержанию ТМ у нескольких культур, в том числе бобовых: существенные сортовые различия по способности накапливать Cd из загрязненной почвы выявлены у сои (6, 12), арахиса (6) и фасоли (6, 13), по Zn — у сои (14), Pb и Zn — у фасоли (13). Однако во многих экспериментах сравнивали ограниченное число сортов (от 2 до 20), которые не отражали всего разнообразия, истории и степени окультуривания вида, что снижает ценность таких исследований для изучения полиморфизма признака.

Мы впервые показали значительную внутривидовую вариабельность гороха посевного ( Pisum sativum L.) по аккумуляции ТМ в побегах при сравнении 99 образцов (в основном примитивных и местных сортов) из коллекции ВИР (Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова, г. Санкт-Петербург), выращенных на обогащенной смесью тяжелых металлов (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr, Zn) почве (15), и установили, что накопление этих металлов в побегах различалось кратно в зависимости от генотипа растения. В результате были выявлены образцы с низким содержание нескольких ТМ в побегах, которые послужили объектом представляемого исследования.

В настоящей работе впервые проведен отбор исходного материала гороха посевного для селекции сортов, способных противостоять накоплению тяжелых металлов в биомассе на загрязненных почвах.

Нашей целью было изучение внутривидовой изменчивости гороха посевного по способности аккумулировать и транспортировать из побега в семена тяжелые металлы и выявление взаимосвязи этих процессов с потреблением растениями питательных элементов.

Методика. Объектом исследований стали 30 образцов гороха посевного ( Pisum sativum L.) из коллекции ВИР, часть которых (к-188, к-1027, к-1250, к-1693, к-2593, к-3445, к-4788, к-5012, к-6468, к-6883, к-7131, к8093, к-8543) характеризовались низким накоплением ТМ из загрязненной почвы (15). Кроме того, на основании оценочных баз данных коллекции ВИР были привлечены сорта и линии из разных стран, обладающие ценными агрономическими признаками (высокая продуктивность и содержание белка, многоплодность и др.): к-6935, к-8861, к-8862, к-9283, к-9384, к-9385, к-9386, к-9389, к-9465, к-9509, к-9510, к-9526, к-9540 и к-9566. Контролем служили образцы к-1658, к-1930, к-8274 с высоким содержанием ТМ в побегах при выращивании на загрязненной почве (15).

Вегетационный опыт проводили в летний период в теплице с естественными освещением и температурой (Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии, г. Санкт-Петербург). Семена гороха поверхностно стерилизовали и скарифицировали концентрированной H₂SO₄ в течение 30 мин, после чего проращивали течение 3 сут при 22 °С в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге. Проростки высаживали в сосуды (по 5 шт., 3 сосуда на каждый генотип), содержащие 5 кг дерновоподзолистой залежной почвы с содержанием С_общ. 2,34±0,05 %, N_общ. — 0,18±0,1 %, N NO₃ — 1,5±0,2 мг N/100 г, Р подв. — 7,7±0,6 мг P/100 г, К подв. — 598

13,5±0,9 мг K/100 г; рН_KCl 6,6±0,1. Агрохимическую характеристику почвы определяли стандартными методами (16). За 10 сут до посева семян почву обогащали тяжелыми металлами в форме хлоридов (мг/кг): Cd — 5, Co — 25, Cr — 60, Cu — 10, Ni— 15, Pb — 100, Sr —50, Zn — 50. Одновременно с этим вносили удобрения (мг/кг): NH₄NO₃ — 15, KNO₃ — 200, KH 2 PO 4 — 200, MgSO 4 — 30, CaCl 2 — 20, H 3 BO 3 — 3, MnSO 4 — 3, ZnSO 4 — 3, Na₂MoO₄ — 1,5. На протяжении эксперимента поддерживали влажность почвы 60-70 % от полной влагоемкости, добавляя воду (до одинаковой массы сосудов). Растения выращивали до фазы созревания семян, высушивали и размалывали до порошкообразного состояния; образцы (отдельно побеги и семена) сжигали в смеси концентрированной азотной кислоты и 38 % Н 2 О 2 при 70 °С в графитовой печи DigiBlock («LabTech», Италия). Содержание тяжелых металлов и питательных элементов определяли на спектрометре ICPE-9000 («Shimadzu» , Япония) по методике производителя.

Статистическую обработку данных проводили методами дисперсионного, корреляционного и кластерного анализа с помощью программ Statistica 8.0 («StatSoft Inc.», США) и DIANA (17). Кластерный анализ стандартизированных значений (СЗ) содержания элементов осуществляли методом Варда c использованием квадратов евклидовых расстояний. Индекс содержания тяжелых металлов (ИСТМ) рассчитывали как среднюю величину стандартизированных значений содержания всех тяжелых металлов (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr, Zn) в побегах и семенах.

Результаты. Изученные образцы гороха (табл. 1) существенно различались по содержанию тяжелых металлов в побегах (табл. 2).

1. Образцы гороха посевного ( Pisum sativum L.), оцененные по способности аккумулировать и транспортировать тяжелые металлы из побега в семена (коллекция ВИР — Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова, г. Санкт-Петербург)

Минимальные значения этого показателя для Cd, Co и Cr отмечали соответственно у образцов к-1027, к-4788 и к-9540. Образец к-1027 ха- рактеризовался низким содержанием Co, Cr, Ni, Sr, Zn, образец к-4788 — Pb. В побегах у к-3445 обнаружили минимальные количества Cu, Ni, Pb, Sr, Zn, низкие — Cd, Co и Cr. У к-6468 было низкое содержание Cd, Cu и Sr, у к-8093 — Cu, Ni, Pb и Zn. Минимальные и максимальные количества тяжелых металлов в побегах различались для Cd в 12 раз (образцы к-1027 и к9389), для Co — в 2,5 раза (к-1027 и к-6935), для Cr — в 2,5 раза (к-1027 и к-6935), для Cu — в 7,3 раза (к-3445 и к-9385), для Ni — в 2,8 раза (к-3445 и к-6935), для Pb — в 3,9 раза (к-3445 и к-9566), для Sr — в 2,9 раза (к-3445 и к-9566), для Zn — в 4,3 раза (к-3445 и к-9566) (см. табл. 2). Полученные результаты согласуются с данными о высокой вариабельности гороха посевного по аккумуляции ТМ в побегах (15). У образцов к-1658, к-1930, к-8274, принятых за контрольные, выявили высокое содержание тяжелых металлов в побегах, однако оно было несколько ниже или близким в сравнении с показателем у образцов к-6935, к-9389, к-9566.

• 2.    Биомасса побега и содержание тяжелых металлов в побегах у гороха посевного (Pisum sativum L.), выращенного на загрязненной почве (вегетационный опыт)

• 3.    Биомасса семян и содержание тяжелых металлов в семенах у гороха посевного (Pisum sativum L.), выращенного на загрязненной почве (вегетационный опыт)

П р и м еч а ни е. Образцы из коллекции ВИР (Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова, г. Санкт-Петербург); а — образцы с высоким содержанием тяжелых металлов, использованные в качестве контроля; звездочкой для каждого элемента обозначены значения, которые были меньше разницы между средней для всех образцов и доверительным интервалом при анализе представленных в таблице средних; Cv — коэффициент вариации.

Анализ элементного состава семян также показал высокую вариабельность по содержанию ТМ (табл. 3). Минимальное количество Cd было обнаружено в семенах у образца к-1693, который, однако, имел близкое к средним содержание других металлов. Образец к-3445 характеризовался минимальным содержанием Co и Cr, низким — Cd, Ni, Sr; образец к-9566 минимальным — Cu, низким — Pb и Zn; образец к-188 минимальным — Ni, низким — Pb и Sr; образец к-8274 минимальным — Pb, низким — Co,

Ni, Sr, Zn. В семенах у других образцов (к-1250, к-1658, к-2593, к-6468, к8543, к-9389) также оказалось низким содержание сразу нескольких тяжелых металлов. Минимальное и максимальное накопление тяжелых металлов в семенах различалось для Cd в 9 раз (образцы к-1693 и к-9384), для Co — в 4,2 раза (к-3445 и к-9283), для Cr — в 10 раз (к-3445 и к-1693), для Cu — в 3,3 раза (к-9566 и к-9384), для Ni — в 3,2 раза (к-188 и к-9283), для Pb — в 6,8 раза (к-8274 и к-9526), для Sr — в 4,1 раза (к-8543 и к-9509), для Zn — в 4,3 раза (к-8861 и к-8093). Ранее высокую вариабельность по содержанию в семенах тяжелых металлов, в основном Cd, отмечали у сои (12), арахиса (6, 18), кукурузы (19), риса (10), пшеницы и ячменя (9).

П р и м е ч а н и е. Образцы из коллекции ВИР (Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова, г. Санкт-Петербург); а — образцы с высоким содержанием тяжелых металлов, использованные в качестве контроля; звездочкой для каждого элемента обозначены значения, которые были меньше разницы между средней для всех образцов и доверительным интервалом при анализе представленных в таблице средних; Cv — коэффициент вариации.

Изменчивость по содержанию элементов в семенах гороха была выше или сопоставима с таковой у побегов, о чем свидетельствовали высокие коэффициенты вариации (см. табл. 2, 3). Однако корреляцию между Cv в побегах и семенах мы не обнаружили. Это свидетельствовало о различиях в механизмах транспорта металлов из побега в семена у изучаемых образцов. Содержание тяжелых металлов в семенах было в несколько раз меньше, чем в побегах, что согласуется с описанием бобовых как видов с низкой транслокацией металлов в системе корень—побег—семена (2, 5, 7, 20).

Обнаружена отрицательная корреляция между биомассой побегов и содержанием в них Cd (r = -0,44; P = 0,015), Co (r = -0,51; P = 0,004), Cr (r = -0,40; P = 0,026), Ni (r = -0,41; P = 0,024) и Sr (r = -0,63; P = 0,001), что, вероятно, было связано с разбавлением металла биомассой в условиях его ограниченной доступности в сосудах с почвой. Однако наблюдаемый эффект мог быть обусловлен и свойствами растительных образцов, поскольку биомасса побега не коррелировала с наоплением других тяжелых металлов (Cu, Zn) и питательных элементов (P, K, Fe, Mn), а также не удалось выявить корреляции между биомассой семян и количеством в них ТМ или питательных элементов.

Во многих случаях наблюдалась положительная взаимозависимость между накоплением в побегах различных тяжелых металлов, а также питательных элементов (табл. 4) — например, Cd и Co, Mg, Ni, Pb, S, Sr, Zn. Та же закономерность проявлялась у семян (см. табл. 4). Так, количество Sr в них коррелировало с содержанием всех элементов, за исключением B, Fe, S. Наличие такой корреляции впервые обнаружено нами ранее (15). Настоящая работа подтверждает этот феномен и дополняет его описанием корреляционных связей для Co и питательных элементов, содержание которых ранее не измеряли. Полученные результаты согласуются с данными W. Cheng с соавт. (10), которые обнаружили положительную корреляцию между содержанием As, Cd и Pb; As и Zn; Cr и Ni в зерне у различных сортов риса, выращенных на загрязненных почвах. Вероятно, этот феномен связан с многообразием молекулярных транспортных каналов и их низкой специфичностью у растений (одни и те же каналы обеспечивают транспорт как питательных элементов, так и ТМ) (21-23).

• 4.    Коэффициенты корреляции между содержанием химических элементов в семенах (1) и побегах (2) у гороха посевного ( Pisum sativum L.), выращенного на загрязненной почве (вегетационный опыт)

  • ₂ ¹ B Ca Cd Co Cr Cu Fe K

  B           0,30   0,13   0,11   0,45*  0,44* 0,30

  Ca   0,32          0,61*  0,65*  0,46*  0,47* -0,240,51*

  Cd   0,30   0,77*         0,57*  0,11   0,40* -0,41*0,46*

  Co   0,45*  0,81*  0,81*         0,24  0,28 -0,49*0,87*

  Cr   0,48*  0,45*  0,23   0,46*         0,53*  0,050,15

  Cu   0,49* 0,03   0,14  0,19 -0,03          0,23

  Fe   0,17 - 0,27 - 0,30 - 0,18   0,32   0,01         - 0,63*

  K -0,41* -0,25 -0,38* -0,32 -0,06 -0,37*

  Mg  0,39*  0,88*  0,71   0,75*  0,52*  0,06 -0,05

  Mn -0,13   0,14 -0,05 -0,05   0,19 -0,26   0,47*0,08

  Ni   0,55*  0,72*  0,75* 0,88*  0,46*  0,34* - 0,03 - 0,46*

  P -0,28 -0,23 -0,45* -0,36   0,03 -0,11   0,280,52*

  Pb   0,26   0,79*  0,75*  0,81*  0,37* -0,02 -0,09

  S    0,20   0,74*  0,43*  0,52*  0,47* -0,01 -0,260,03

  Sr   0,29   0,94*  0,78*  0,85*  0,44*  0,01 -0,29

  Zn   0,17   0,61*  0,50*  0,54*  0,20   0,04  0,02

  
  

  Mg Mn Ni P Pb S

  
  

  Sr

  
  

  Zn

  
  

  * Статистически достоверные коэффициенты корреляции ( r ) (для r > 0,35 —

  
  

  0,10   0,19 -0,01   0,19   0,07   0,17   0,260,12

  0,36*  0,64*  0,58* -0,42*  0,47* -0,09   0,97*

  0,15   0,20   0,29 - 0,46*  0,21   0,06   0,65* - 0,36*

  0,49*  0,45*  0,68* - 0,46*  0,58* - 0,04   0,75* - 0,37*

  0,59*  0,23   0,22   0,11   0,25   0,30   0,46*

  0,56*  0,40*  0,07   0,41*  0,24  0,27   0,38*0,21

  • -0,05   0,29 -0,33   0,69* -0,30 -0,16 -0,360,64*

  0,34  0,34  0,75* - 0,66*  0,53* - 0,16   0,65* - 0,52*

  0,44*  0,40* 0,26   0,20   0,10   0,37*0,02

  0,32          0,56* -0,06   0,38* -0,39*  0,55*0,32

  0,68* - 0,08          - 0,43* 0,53* - 0,23   0,63* - 0,21

  0,01   0,58* - 0,48*         - 0,35   0,20 - 0,52* 0,64*

  0,79* 0,27   0,76* - 0,25         - 0,12   0,48* - 0,20

  0,68* 0,12   0,40* 0,07   0,44*        - 0,03 - 0,22

  0,81*  0,06   0,83* - 0,35   0,83*  0,64*        - 0,27

  0,57*  0,31   0,62* - 0,17   0,78*  0,36*  0,62*

  
  

  Р ≤ 0,01; для r > 0,56 — Р ≤ 0,001; n = 30).

  
  

  Р ≤ 0,05; для r > 0,45 —

  
  

Изученные образцы были сгруппированы в кластеры. В отдельные кластеры вошли те, которые имели низкое содержание тяжелых металлов Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr, Zn и питательных элементов B и Ca в побегах (рис. 1, А, кластер ¹ 3), низкое содержание тяжелых металлов Cd, Co, Ni, Pb, Sr и питательных элементов Са и К в семенах (см. рис. 1, В, кластер ¹ 3), низкое содержание Cr, Cu, Zn в семенах (см. рис. 1, В, кластер ¹ 2). Состав кластеров, объединявших образцы с низким содержанием большинства тяжелых металлов, был сходен для побегов и семян. Это согласовывалось с положительной корреляцией количества металлов в побегах и семенах для Cd ( r = +0,55; P = 0,002), Co ( r = +0,57; P = 0,001), Cr ( r = +0,41; P = 0,023), Ni ( r = +0,48; P = 0,007), Sr ( r = +0,37; P = 0,048), а также для питательного элемента Р ( r = +0,67; P < 0,001). В то же время мы выявили 602

отрицательную корреляцию между накоплением элемента в побегах и семенах для Zn ( r = -0,45; P = 0,012) и К ( r = -0,59; P < 0,001). Интересно, что у контрольных образцов к-1658, к-1930 и к-8274 содержание ТМ в побегах было высоким (см. табл. 2), а в семенах — низким (см. табл. 3), и они группировались в кластере ¹ 3 (см. рис. 1, В). Образцы, входившие в кластеры с низким накоплением ТМ в побегах или семенах, имели высокое содержание соответственно K и P или Fe, P и Zn. Полученные нами результаты свидетельствуют о специфичности механизмов, обеспечивающих транспорт индивидуальных элементов из побега в семена, и барьера для транспорта абиогенных металлов из вегетативных органов в репродуктивные. Эффективность этих механизмов также существенно зависит от генотипа растения. Такое биоразнообразие и широкое практическое использование гороха (кормовые, зерновые и овощные сорта) указывают на необходимость учитывать содержание тяжелых металлов одновременно в побегах и семенах при реализации селекционных программ.

Рис. 1. Кластерные диаграммы, показывающие группировку образцов гороха посевного ( Pisum sativum L.), выращенного на загрязненной почве, по содержанию тяжелых металлов и питательных элементов в побегах (А) и семенах (В) , а также средние значения содержания элементов в побегах (Б) и семенах (Г ): 1 — кластер 1, 2 — кластер 2, 3 — кластер 3; а — образцы с высоким содержанием тяжелых металлов, использованные в качестве контроля, СЗ — стандартизированные значения содержания элементов (вегетационный опыт).

Для обобщения полученных результатов был рассчитан индекс со- держания всех тяжелых металлов (ИСТМ) в побегах и семенах, который позволил выделить образцы с минимальными средними значениями этого параметра (рис. 2). Большинство образцов с низким ИСТМ относились к охарактеризованным ранее формам с низким накоплением тяжелых металлов в побегах (15) — к-188, к-1027, к-1250, к-2593, к-3445, к-4788, к-5012, к-6468, к-8093, к-8543. Они представляли собой старые местные сорта, и их сравнение с современными сортами и линиями показало, что последние активнее аккумулируют тяжелые металлы в побегах и транспортируют их в семена. Это может быть результатом селекции сортов для интенсивных технологий с большими прибавками урожая на высоком агрофоне, то есть эффективно использующих минеральные удобрения. Вероятно, интенсивная ассимиляция и транспорт элементов минерального питания предопределяют и активное накопление абиогенных элементов.

Образец

Рис. 2. Индекс содержания тяжелых металлов (ИСТМ) в побегах и семенах у гороха посевного ( Pisum sativum L.), выращенного на загрязненной почве: а — образцы с высоким содержанием тяжелых металлов, использованные в качестве контроля, СЗ — стандартизированные значения содержания элементов (вегетационный опыт).

Следует подчеркнуть, что многие тяжелые металлы (Co, Cu, Ni и Zn) необходимы растению в низких концентрациях. В нашем эксперименте они были внесены в дозах, превышавших ПДК для почв сельскохозяйственного использования. Однако эти концентрации оказались ниже токсичных для гороха, поскольку растения нормально развивались и не проявляли признаков поражения. Кроме того, наблюдалась положительная корреляция между содержанием некоторых питательных элементов (Сa, K, Mg, P, S), ТМ биогенной природы (Co, Cu, Ni, Zn) и абиогенных элементов (Cd и Pb) в побегах и (или) семенах (см. табл. 4).

Таким образом, получена ценная информация о полиморфизме гороха по накоплению тяжелых металлов и обнаружены корреляционные связи между содержанием различных элементов (питательные макро-, микро- и абиогенные элементы) в побегах и (или) семенах. Результаты демонстрируют сложность и многокомпонентность механизмов и процессов потребления растениями питательных и токсичных элементов, а также высокую внутривидовую изменчивость гороха по этим признакам. Показано, что параметры, характеризующие растения по активности потребления питательных элементов, могут служить дополнительными критериями для поиска генотипов с пониженным содержанием тяжелых металлов. Необходимо учитывать, что селекция на эффективное использование элементов минерального питания способна усиливать накопление растениями токсичных элементов на загрязненных почвах. В то же время возможна селекция на низкую аккумуляцию одновременно многих тяжелых металлов. Для этих целей перспективны старые местные сорта гороха из коллекции ВИР (Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова) к-188, к-1027, к-1250, к-2593, к-3445, к-4788, к-5012, к-6468, к-8093, к-8543, а также современный селекционный материал (линии) к-9386, к9389 (Кировская обл.) и к-9465 (сорт Тюменец, Тюменская обл.).