Почему свинец мешает пшенице расти

Свинец мешает растительному фотосинтезу, однако до некоторой степени влияние свинца можно скомпенсировать селеном.

Промышленное производство и автотранспорт, которого становится все больше, загрязняют не только воздух, но и почву, и среди самых серьезных загрязнителей оказываются тяжелые металлы, такие, как свинец. Известно, что на загрязненных почвах растения и дикие, и культивируемые человеком, растут хуже. Но почему так происходит? Какие именно загрязнители тут виноваты и как конкретно действуют они на растения?

Чтобы выяснить это, исследователи из Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН, Института фундаментальных проблем биологии РАН и Российского государственного аграрного заочного университета провели эксперименты с одной из самых популярных сельскохозяйственных культур – пшеницей мягкой (Triticum aestivum).

Ее выращивали на почвах с различным уровнем загрязнения свинцом – и оказалось, что на свинце растения теряют свою нормальную окраску, становятся белыми или, говоря по-научному, этиолированными. Нормальный зеленый цвет был только на кончиках листьев. Пшеница выглядела так, как будто ей не хватало света, хотя света (как и влаги) было достаточно. Кроме того, на почве со свинцом растения росли заметно медленнее.

По словам Галины Семеновой, кандидата биологических наук и старшего научного сотрудника Лаборатории механизмов организации биоструктур ИТЭБ РАН, в клетках белых листьев был нарушен механизм образования хлоропластов – клеточных органелл, в которых идет фотосинтез и которые содержат светоулавливающий пигмент хлорофилл.

Вместо нормальных хлоропластов у растений получались так называемый этиопласты, в которых хлорофилла почти нет. При фотосинтезе должен выделяться кислород, растения с этиопластами кислорода почти не выделяли, вместо этого в них накапливалась перекись водорода – индикатор окислительного стресса.

С другой стороны, недавние исследования показали, что если добавлять в почву в небольших дозах селен (именно в небольших – если селена много, он становится опасен для растений), то растения станут более устойчивыми к заморозкам, засухам и воздействию тяжелых металлов. Поэтому Галине Семеновой и ее коллегам было интересно проверить, сможет ли селен подавить отрицательный эффект от свинца. Селен смог: даже если свинец в почве был в токсичных концентрациях, пшеница росла с такой скоростью и набирала такую биомассу, как будто никакого свинца в земле не было, и хлорофилл в ее клетках образовывался нормально.

Но если дозу свинца удваивали, то и селен оказывался бессилен: из-за слишком большого количества свинца у растений не только хлоропласты становились ненормальными, но также и митохондрии, и вся цитоплазма.

В статье в Journal of Plant Physiology авторы работы пишут, что и селен, и свинец влияют на меристему – специальную ткань растений, из которой образуются новые клетки – но действуют они на нее противоположным образом. Селен, даже в небольшой концентрации, стимулирует развитие как отдельных фотосинтезирующих клеток, так и растения в целом. Свинец же не дает предшественникам фотосинтезирующих клеток правильно развиваться, из-за чего все растение в целом растет хуже.

Если говорить о конкретных цифрах, то селен может компенсировать «свинцовые» дефекты развития, если концентрация свинца составляет до 50 мг в 100 г почвы. Хотя эксперименты ставили на пшенице, тот же эффект и от свинца, и от селена, скорее всего, можно увидеть и на других растениях.