Выявление эколого-биологических особенностей адаптации вольфии бескорневой к действию абиотических и антропогенных факторов в различных условиях культивирования in vitro

Актуальность

Достижения в области биотехнологии способствовали развитию интереса к использованию водных растений, имеющих высокий адаптационный потенциал, в качестве перспективных объектов для разработки технологий фиторемедиации эвтрофированных водоёмов.

Влияние водных растений на экосистемы водоёмов и процессы, происходящие в них, во многом определяется доминирующим видом растения.

Именно по этой причине при изучении растений как фактора, влияющего на формирование качества воды, необходимо учитывать особенности конкретного вида растения, включая особенности его метаболизма и продуктивности в различных экологических условиях.

Относительная простота морфологического строения вольфии, преимущественное вегетативное размножение, способность к миксотрофному питанию и высокая продуктивность делают эти растения удобным объектом для изучения механизмов, регулирующих развитие популяций водных растений и определяющих их физиологическую устойчивость в стрессовых условиях.

Цель

Выявить эколого-биологические особенности адаптации высшего водного растения вольфии бескорневой к действию абиотических и антропогенных факторов в различных условиях культивирования in vitro.

Задачи

1. Изучить влияние жидких сред с различной концентрацией минеральных и органических веществ на прирост популяции вольфии в условиях in vitro.

2. Изучить влияние агаризованных сред на прирост популяции вольфии в условиях in vitro.

3. Изучить фенотипическую изменчивость вольфии бескорневой под воздействием мутагена.

4. Сравнить скорость размножения контрольных растений и линии с изменённым фенотипом.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Шейкер

• Сухожаровой шкаф

• Ламинарный бокс

• Автоклав

• Чашки Петри

• Питательные среды

Описание

На первом этапе автор провёл анализ литературы по теме исследования.

Затем для изучения влияния разных сред с различной концентрацией минеральных и органических веществ на прирост популяции вольфии в условиях in vitro использовали среду Шенка-Хильдебрандта и среду W3M, разработанную в лаборатории генной инженерии растений специально для культивирования вольфии. Для этого изучаемые растения помещали в колбы ёмкостью 0,5 л на жидкие питательные среды (100 мл в каждой колбе) в количестве 100 штук на каждую культуральную ёмкость. Один вариант опыта предусматривал культивирование в стационарных условиях (на стеллаже), а другой – на шейкере (постоянное встряхивание). Учёт численности популяции производили через 24 дня после посадки.

На следующем этапе автор изучал влияние разных агаризованных сред на прирост популяции вольфии в условиях in vitro. Для этого растения помещали на агаризованные питательные среды Мурасиге-Скуга, Шенка-Хильдебрандта и W3M в количестве 100 штук на одну чашку Петри в пятикратной повторности для каждого варианта. Каждую неделю производили визуальный учёт роста и развития популяции. Учётный период составлял 24 дня от момента посадки.

Генетическую трансформацию вольфии бескорневой проводили под воздействием синтетического гербицида ауксинового ряда – 2,4-D, обладающего мутагенными свойствами. Для получения растений с изменённым фенотипом в состав среды асептически вводили раствор 2,4-D в диапазоне концентраций от 1 мкМ до 100 мкМ и культивировали растения в течение трёх недель, как при 16-часовом фотопериоде, так и в темноте, после чего осуществляли первичный анализ полученных форм. Растения с изменённым фенотипом пересаживали на свежую питательную среду и культивировали в оптимальном для них температурном режиме и фотопериоде. Для культивирования обесцвеченных клонов использовали жидкие и агаризованные минеральные среды, содержащие 0,5–1% сахарозы.

Далее был проведён эксперимент по изучению скорости размножения контрольных растений и линии с изменённым фенотипом по второму типу с образованием конгломератов. Растения были посажены в пробоотборники, заполненные жидкой средой W3M, по 2 штуки в каждый. Через 2 недели был произведён учёт эффективности размножения испытуемых растений.

Результаты

1. В результате исследования было установлено, что наиболее сбалансированной питательной средой для культивирования вольфии бескорневой является среда W3M с содержанием минеральных и органических элементов согласно авторской прописи. Несмотря на способность к автотрофному питанию, отсутствие органических компонентов во всех вариантах приводило к замедлению роста, изменению окраски растений с зелёной на бледно-жёлтую, ускорению процесса старения и слабому приросту биомассы. Культивирование растений в условиях постоянного газообмена (на шейкере) позволило повысить прирост биомассы во всех вариантах опыта.

Условные обозначения таблицы: SH – среда Шенка-Хильдебрандта,

SH б/о – среда Шенка-Хильдебрандта без добавления органических компонентов,

W3M – уникальная среда, разработанная для культивирования вольфии бескорневой,

W3M б/о – уникальная среда, разработанная для культивирования вольфии бескорневой без добавления органических компонентов.

2. Результаты эксперимента на агаризованных средах показали, что среда W3M обеспечивает наиболее быстрое размножение растений вольфии, однако при этом отмечен и более быстрый процесс старения. На среде Шенка-Хильдебрандта, которая беднее по своему составу минеральными и органическими компонентами, при более низких темпах размножения растения сохраняют жизнеспособность в течение длительного периода времени. Среда Мурасиге-Скуга наименее подходит для культивирования вольфии в силу того, что рост популяции незначителен, а процесс старения происходит за короткий срок времени.

3. Культивирование растений вольфии в присутствии гербицида 2,4-D показало, что введение в среду 2,4-D в концентрации 1–20 мкМ приводит к заметному ускорению вегетативного размножения и к значительному приросту сырой биомассы. Однако при увеличении концентрации до 50–100 мкМ наблюдается ингибирование роста и развития растений, что проявляется в торможении процесса вегетативного размножения – почкования, вплоть до его полного прекращения, а также появлении мутантных форм растений. При этом высокие дозы ауксина приводили к гибели основной части растений, а среди выживших растений формировались фенотипически изменённые формы.

4. По итогам работы был подготовлен буклет с информацией о возможности использования вольфии бескорневой как объекта для разработки технологии очистки водоёмов.

Выводы

1. Выявлен высокий адаптационный потенциал растений к существованию в условиях разной трофности. Это можно рассматривать как проявление устойчивости к такому важному фактору среды, как обеспеченность элементами минерального питания.

2. Формирование у вольфии бескорневой в ответ на действие мутагена трёх стабильных групп, отличающихся морфогенетически, можно рассматривать как проявление адаптационного механизма, который обеспечивает выживаемость экспериментальной популяции в условиях загрязнения.

3. В среднем до 20% растений в популяции проявляют фенотипическую изменчивость.

4. Растения с изменённым фенотипом (по второму типу) обладают заметным ускорением вегетативного размножения и значительным приростом сырой биомассы.

Перспективы использования результатов работы

Полученные результаты могут быть использованы экологами и биотехнологами для разработки технологии очистки водоёмов.

Сотрудничество с учреждением при создании работы

ФГБНУ ВНИИСБ

Награды/достижения

Всероссийская олимпиада школьников по экологии, региональный этап – призёр.