Влияние комплексного соединения кобальта на пол и некоторые биологические характеристики шпината

Стремление проникнуть в тайну полового процесса у растений существовало еще у древнегреческих мыслителей. В XIX веке изучением процесса оплодотворения занимались многие: Л.С. Ценковский (1853 г.) – у можжевельника, Я.Я. Вальц (1874 г.) – у зеленных водорослей, В.Ф. Хмелевский (1890–1891) – у спирогиры.

В современной ботанической литературе нет общепринятой терминологии для класифи-кации различных сексуальных форм растений. В своей работе мы используем классификацию, предложенную А.Г. Сидорским [1], который отметил, что при определенных внешних условиях или в результате генетических особенностей может измениться обмен веществ, что приведет к невозможности обеспечения в организме физиологобиохимической дифференцировки. В таком случае в морфологически обоеполом цветке нормально будет протекать либо макро-, либо микроспорогенез. Морфологически обоеполый цветок превратится в функционально тычиночный или пестичный. В функционально пестичных цветках пыльца нежизнеспособная, а в функционально тычиночных – нежизнеспособны яйцеклетки [1].

В связи с тем, что тычиночные и пестичные цветки монойкистов, гинойкисты и андройкисты у диойкистов отличаются по многим биологическим характеристикам, то закономерно влияние на них в разной степени экологических факторов. Это подтверждает большое число публикаций по данной проблеме [2–5]. По мнению В.Н. Година «явление однополых цветков и разных половых форм особей в популяциях, скорее всего, способствует продвижению раздельнополых форм значительно дальше границ распространения родственных гермафродитных видов» [6]. В случае, когда объектом исследований служили культурные растения, в подавляющем большинстве работ авторы дают практические рекомендации с целью создания оптимального для урожайности соотношения разнополых цветков у монойки-стов и однополых особей в популяциях у диой-кистов [7–10]. Ранее исследование Кончиной Т.А. показало, что шпинат, в отличие от монойкистов (кабачков и огурцов), при всех дозах гамма-облучения имел сдвиг пола в женскую сторону за счет увеличения в посевах доли гинойкистов. В ряде работ авторами отмечается, что влияние экологических факторов реализуется через воздействие на гормональную систему, которая взаимодействует с генетическим аппаратом и обусловливает проявление пола у растений [8, 11–15].

Обработка растений некоторыми химическими соединениями может вызвать нарушения в ходе микроспоро- и макроспорогенеза, что оказывает влияние на урожайность. Так, предпосевная обработка семян огурцов растворами солей Mn и Ni приводила к увеличению числа тычиночных цветков [1]. Опрыскивание растений огурцов нитратом серебра вызывало в основном образование тычиночных цветков.

Материалы и методы

Объектом исследования был выбран шпинат – типичный вид, который по биологическим качествам чувствителен к экологическому воздействию на изменение половой дифференциации. Это – раздельнополое двудомное растение (диой-кист), популяции которого состоят из мужских (андройкистов) и женских (гинойкистов) особей. Выбранный объект позволил изучить особенности сексуализации растений в зависимости от влияния комплексного соединения кобальта на популяционном уровне.

Многие авторы изучали влияние соединений кобальта на различные процессы растений, их урожай. Так, Т.И. Смирновой и др. на основе использования хелатных соединений кобальта (II) обнаружено увеличение содержания хлорофилла и общей массы семян у фасоли обыкновенной [18]. Применение хлорида кобальта в концентрациях 0,01–1 мг/кг почвы привело к достоверному увеличению длины корешков, длины и массы проростков льна и пажитника [16]. На признание Co незаменимым микроэлементом для питания растений обращают внимание Сю Ху и др. [18], З. Ульхассан и др. [19], А. Банерджи и А. Ройчоудхури [20].

Нами был использован раннеспелый сорт – Витаминный, склонный к быстрому стеблеванию. Имеет розетку листьев диаметром 17–23 см. Шпинат этого сорта, по сравнению с другими сортами, содержит повышенное количество витаминов [21]. Сухие семена данной культуры замачивали в растворе диметилсульфоксид хлорида кобальта (II) (4СоСl 2 3(СН 3 ) 2 SО×9Н 2 О) в концентрациях 0,05%, 0,01%, 0,1% в течение суток.

Все опыты были проведены в трехкратной повторности, в каждой из которой было по 100 особей шпината. В ходе эксперимента велись фенологические наблюдения за скоростью развития растений (по 10 особей обоих полов в каждой повторности). У шпината были определены такие морфологические показатели как количество, длина, ширина листьев, масса, высота растений.

Определяли жизнеспособность пыльцы с помощью изатинового реактива (пролин-теста) [22]. На предметном стекле смешивали пыльцу с тремя каплями реактива. После пятиминутного окрашивания препарат прогревали в течение 10 минут на спиртовке. Жизнеспособная пыльца реагирует с изатином и окрашивается в интенсивно темно-синий цвет, а нежизнеспособные пыльцевые зерна остаются бесцветными. Подсчёт окрашенных и проросших пыльцевых зёрен проводили через 24 часа после посева с помощью светового микроскопа при увеличении в 120 раз в пяти полях зрения в 3-x кратной повторности. Семена, полученные от опытных растений, после 5 месяцев сухого хранения проращивали согласно ГОСТу 12038–84 [23].

Полученные результаты были обработаны статистически. Определялись средняя арифметическая величина (М), квадратичное отклонение ( ст ), средняя статистическая ошибка (m). Достоверность различий между контрольными и опытными вариантами оценивали с помощью критерия Стъюдента (t st ) на 5% уровне значимости, обеспечивающем 95% доверительную вероятность (Р < 0,05).

Мужские растения шпината (андройкисты) отличались от женских (гинойкистов) более интенсивным развитием. Через две недели после появления всходов можно было различить растения по формирующимся мужским соцветиям. Наблюдения за мужскими и женскими растениями шпината во всех вариантах опыта показали, что они отличались друг от друга по ряду морфологических показателей: высоте, количеству листьев и вегетативной массе. Андройкисты превосходили гинойкистов по высоте, женские же особи отличались большим количеством листьев и большей массой. Сравнение по морфологическим показателям растений шпината, выросших из семян, обработанных диметилсульфоксидом хлоридом кобальта (II), с необработанными выявило различия по некоторым исследованным параметрам представлено в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние предпосевной обработки на морфологические показатели шпината

Table 1.

The impact of pre-sowing treatment on the morphological parameters of spinach

Варианты Variants	Пол Seх	Масса, г Weight, g	Р	Количество листьев, шт. Number of leaves (pcs.)	Р	Длина, см Length, cm.	Р	Ширина, см Width, cm.	Р
Контроль Control	♂	17,0±1,04	-	12,6±0,3	-	10,2±0,3	-	6,4±0,3	-
	♀	30,0±1,4	-	27,0±0,6	-	11,1±0,3	-	7,2±0,3	-
0,01%	♂	15,0±0,3	>0,1	13,9±0,4	>0,02	10,8±0,4	>0,2	6,0±0,2	>0,1
	♀	31,0±0,8	>0,1	31,6±0,3	<0,001	12,0±0,3	>0,05	7,0 + 0,2	>0,6
0,05%	♂	13,0±0,3	<0,001	10,0±0,3	<0,001	7,7±0,3	<0,001	4,4 + 0,3	<0,001
	♀	21,0±0,8	<0,001	24,6±0,6	<0,001	8,9±0,2	<0,001	5,4 + 0,1	<0,001
0,1%	♂	10,2±0,4	<0,001	10,6±0,5	<0,1	9,4±0,4	>0,05	5,3 + 0,4	<0,05
	♀	21,0±0,8	<0,001	25,0±0,3	<0,1	10,8±0,4	>0,5	5,8 + 0,3	<0,05

Источник: составлено авторами

В опытах по влиянию предпосевной обработки комплексного соединения на соотношение полов шпината установлено достоверное возрастание количества гинойкистов в вариантах с обработкой диметилсульфоксидхлоридом кобальта (II) в концентрациях 0,05% (58,7%) и 0,1% (62,0%) по сравнению с контролем (50,3%). Причем, самый большой процент гинойкистов от общего количества особей в популяции отмечен при обработке семян комплексным соединением концентрацией 0,1%. Оказалось, что мужской пол менее резистентен, поэтому происходит феминизация популяций под воздействием химической обработки семян. В контроле соотношение гинойкистов и андройкистов (1,0) было ниже, чем во всех вариантах. Однако достоверное смещение половой дифференциации в женскую сторону наблюдается при замачивании семян шпината в растворах с концентрациями 0,05% (1,4) и 0,1% (1,6) (рисунок 1). Соотношение гиной-кистов и андройкистов в варианте с обработкой семян 0,01%-м раствором комплексного соединения составило 1,2, что лежит в пределах ошибки опыта.

Рисунок 1. Влияние предпосевной обработки диметил-сульфоксидхлоридом кобальта (II) на дифференциацию пола шпината

Figure 1. Impact of pre-sowing treatment with dimethyl sulfoxide cobalt (II) chloride on the differentiation of spinach sex

Важными характеристиками репродуктивной функции растений являются качественные показатели семенной продукции: масса тысячи семян, их количество и всхожесть. Сравнение

Влияние предпосевной обработки диметилсульфоксид хлоридомкобальта (II) на жизнеспособность семян шпината сорта Витаминный

Table 2.

Impact of pre-sowing treatment with dimethyl sulfoxide cobalt (II) chloride on the viability of spinach seeds of the Vitamin variety

Вариант Variant	Количество семян, шт Number of seeds, pcs.		Масса 1000 семян, г Weight of 1000 seeds, g.		Всхожесть полученных семян, % Germination of the obtained seeds, %
	М ± m	Р	М ± m	Р	М ± m	Р
Контроль | Control	97,0 ±0,6	-	14,7 ±0,3	-	71,3 ±1,2	-
0,01%	99,8 ±0,9	<0,001	16,0±0,6	>0,1	83,3 ±0,9	<0,001
0,05%	122,7 ±1,9	<0,001	12,0 ±0,6	<0,01	58,7 ±1,8	<0,001
0,1%	116,0 ±0,6	<0,001	10,7 ±0,3	<0,01	56,3 ±2,0	<0,001

Источник: составлено авторами

Установлено, что в вариантах с предпосевной обработкой комплексным соединением кобальта концентрациями 0,05% и 0,1% достоверно уменьшается масса 1000 семян (12,0 г и 10,7 г соответственно) (таблица 2). Всхожесть семян, полученных от обработанных растений в этих вариантах, в отличие от контроля (14,7%), достоверно ниже (12,0 и 10,7%). В связи с этим можно говорить об ингибирующем действии данных концентраций рассматриваемого вещества.

Наряду с качественными характеристиками семян важнейшим показателем функциональной половой дифференциации растений является жизнеспособность пыльцы, поскольку условия выращивания растений оказывают влияние на состояние пыльцевых зерен, их жизнеспособность [24, 25].

Исследование пыльцы путем окрашивания изатиновым реактивом (таблица 3) показало, что небольшая концентрация 0,01% комплексного соединения кобальта не оказывает существенного влияния на жизнеспособность пыльцы (86,7%) по сравнению с контролем (84,3%).

Таблица 3.

Влияние предпосевного обработки диметилсульфоксидхлоридом кобальта (II) на жизнеспособность пыльцы шпината сорта Витаминный

Table 3.

Impact of pre-sowing treatment with dimethyl sulfoxide cobalt (II) chloride on the pollen viability of the Vitamin spinach variety

Варианты Variants Жизнеспособность пыльцы, % Pollen viability, % М±m Р Контроль Control 84,3 ± 2,0 - 0,01% 86,7 ± 3,1 >0,1 0,05% 22,8 ± 3,2 <0,001 0,1% 17,1 ± 2,4 <0,001 вариантов влияния предпосевной обработки комплексным соединением кобальта на жизнеспособность семян представлено в таблице 2.

Таблица 2.

С повышением концентраций до значений 0,05% и 0,1% жизнеспособность пыльцы снижается (22,8% и 17,1% соответственно). Снижение жизнеспособности пыльцы является показателем смещения функциональной сексуализации шпината в женскую сторону, что сопоставимо с морфологическим определением пола в этих вариантах. Концентрация 0,01% комплексного соединения кобальта достоверно не вызывает изменения половой дифференциации, однако стимулирует повышение семенной продуктивности растений – увеличивается масса 1000 семян и увеличение их всхожести.

Изучение влияния предпосевной обработки на морфологические показатели шпината (таблица 1) показало, что увеличение количества листьев на 4,6 шт. наблюдалось у гинойкистов в вариантах с обработкой 0,01%-м раствором комплексной соли кобальта по сравнению с контролем. Концентрации 0,05% и 0,1% несколько снижают количество листьев в среднем на одном женском растении до 24,6 и 25,0 (в контроле 27,0). В связи с обработкой у андрокийстов диметилсульфоксидом хлоридом кобальта (II) в варианте 0,01% достоверно увеличивается количество листьев (13,9) по сравнению с контролем (12,6). В концентрациях 0,05% и 0,1% снижается количество листьев у мужских особей на 2,6 и 2,4 шт. по сравнению с контролем.

Достоверного изменения длины листьев шпината в опыте с концентрациями 0,01% и 0,1% не наблюдается. В варианте 0,05%. достоверно уменьшается длина листа как у мужских особей (7,7 см), так и у женских (8,9 см) по сравнению с контролем (10,2 см и 11,1 см). Ширина листьев по сравнению с контролем (♂ – 6,4 см, ♀ – 7,2 см) достоверно уменьшается только в вариантах 0,05% и 0,1% у гинойкистов и андройкистов.

Показателем продуктивности шпината как зеленной культуры служит масса растений. Из таблицы 1 видно, что предпосевная обработка семян концентрациями 0,05% и 0,1% достоверно приводит к снижению массы растений обоих полов по сравнению с контролем. Наименьшее ее значение (10,2 г) отмечено у мужских особей в варианте с обработкой 0,1% диметилсульфоксидом хлоридом кобальта (II), тогда как в контроле масса равнялась 17,0 г.

Таким образом, с уменьшением количества листьев и их размеров снижается масса растений гинойкистов и андройкистов шпината в вариантах с предпосевной обработкой (СН 3 ) 2 SОСоСl 2 ×3Н 2 О концентрациями 0,05% и 0,1%, что говорит об ингибирующем действии.

В опытах по влиянию предпосевной обработки комплексного соединения на соотношение полов шпината (таблица 2) самый большой процент гинойкистов от общего количества особей в популяции отмечен при обработке семян комплексным соединением концентрацией 0,1%. Оказалось, что мужской пол менее резистентен, поэтому происходит феминизация популяций под воздействием химической обработки семян. По полученным данным можно резюмировать, что комплексонат кобальта смещает пол шпината в женскую сторону.

Мы отметили возрастание урожая семян в вариантах с обработкой 0,05 и 0,1% – ными растворами (122,7 шт. и 116,0 шт.) по сравнению с контролем (97,0 шт.), что, по нашему мнению, может быть связано с химическим стрессом

Полученные данные о влиянии концентрации 0,05% и 0,1% 4СоСl 2 3(СН 3 ) 2 SО×9Н 2 О на смещение пола шпината в женскую сторону, одновременно позволяют утверждать, что повышение продуктивности растений эти концентрации не вызывают, а напротив наблюдается снижение зеленой массы растений. Следовательно, концентрации 0,05% и 0,1% диметилсульфоксида хлорида кобальта (II), оказывают ингибирующие действия на ряд биологических характеристик. В этих же вариантах изменяется семенная продуктивность: снижается крупность семян, но увеличивается их количество.

Заключение

Изучение влияния предпосевной обработки семян шпината огородного диметилсульфоксидом хлоридом кобальта (II) на процесс его половой дифференциации позволяет, при дальнейшем накоплении экспериментального материала, прогнозировать продуктивность данного растения для использования в практических целях как одного из самых распространённых и питательных видов овощной зелени.