ВЛИЯНИЕ КОФЕИНА НА ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН И РАЗВИТИЕ ПРОРОСТКОВ FAGOPYRUM ESCULENTUM M. И LINUM USITATISSIMUM L.

Гордеева И.В.¹, Белышева Г.М.²

¹Кандидат биологических наук, ²кандидат химических наук,

^1,2Уральский государственный экономический университет

ВЛИЯНИЕ КОФЕИНА НА ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН И РАЗВИТИЕ ПРОРОСТКОВ FAGOPYRUM ESCULENTUM M. И LINUM USITATISSIMUM L.

Аннотация

Исследовали воздействие 1,3,7-триметилксантина (кофеина) на всхожесть семян и развитие проростков гречихи посевной (Fagopyrum esculentum M.) и льна посевного (Linum usitatissimum L.) . Семена обоих видов растений подвергались обработке данным веществом трех концентраций – 0,025%, 0,05% и 0,10% в течение 120 часов в лабораторных условиях. Начиная со вторых суток эксперимента регулярно оценивались масса проростков, а также длина главного корня и гипокотиля; кроме того, определялась суммарная всхожесть семян по итогам исследования. Показано, что кофеин оказывает незначительное ингибирующее влияние на всхожесть семян, которое проявляется только при максимальной концентрации раствора. Установлено, что длина надземной и корневой части растений гораздо более чувствительна к кофеину, нежели масса побегов, причем зависимость между данными показателями и концентрацией вещества носила обратно пропорциональный характер. Также было отмечено, что корневая система проростков гречихи посевной является более чувствительной к кофеину, нежели гипокотиль. У льна посевного подобная закономерность не была обнаружена: достоверное сокращение длины гипокотиля по сравнению с контролем фиксировалось в течение всего эксперимента, начиная с минимальной концентрации кофеина.  В целом, экспериментальные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности Fagopyrum esculentum M. и Linum usitatissimum L.к 1,3,7-триметилксантину, которая носит видоспецифичный характер.

Ключевые слова: кофеин, всхожесть семян, развитие проростков, корневая система,  гипокотиль, Fagopyrum esculentum, Linum usitatissimum.

Gordeeva I.V.¹, Belysheva G.M.²

¹PhD in Biology, ²PhD in Chemistry,

Ural State University of Economics

INFLUENCE OF CAFFEINE ON SEED GERMINATION AND DEVELOPMENT OF SEEDLINGS OF FAGOPYRUM ESCULENTUM M. AND LINUM USITATISSIMUM L.

Abstract

We studied the effect of 1,3,7-trimethylxanthine (caffeine) on seed germination and development of buckwheat seedlings (Fagopyrum esculentum M.) and flax seed (Linum usitatissimum L.). Seeds of both plant species were treated with the substance of three concentrations – 0.025%, 0.05% and 0.10% for 120 hours in the laboratory. Starting from the second day of the experiment, the weight of the seedlings was regularly assessed, as well as the length of the main root and hypocotyl. In addition, the total germination of seeds was determined based on the results of the study. It is shown that caffeine has an insignificant inhibitory effect on seed germination, which manifests itself only at maximum solution concentration. It was established that the length of the aboveground and root parts of plants is much more sensitive to caffeine than the mass of shoots, while the relationship between these parameters and the concentration of the substance was inversely proportional. It was also noted that the root system of buckwheat seedlings is more sensitive to caffeine than hypocotyl. Similar pattern was not found in flax seed: Significant reduction in the length of the hypocotyl compared to the control was recorded throughout the experiment starting with a minimum concentration of caffeine. In general, experimental results indicate high sensitivity of Fagopyrum esculentum M. and Linum usitatissimum L. to 1,3,7-trimethylxanthine, which is of a species-specific nature.

Keywords: caffeine, seed germination, development of sprouts, root system, hypocotyl, Fagopyrum esculentum, Linum usitatissimum.

Кофеин (1,3,7-триметилксантин), представляющий собой пуриновый алкалоид класса ксантинов, является широко известным стимулятором активности центральной нервной системы, входящим в состав разнообразных напитков и фармацевтических препаратов [1], [2]. Поскольку содержащие кофеин напитки, такие как кофе, чай, какао и пр., относятся к числу наиболее популярных во многих экономически развитых государств мира, то изучение воздействия данного соединения на различные виды живых организмов привлекает пристальное внимание исследователей уже на протяжении нескольких последних десятилетий [3-10]. Было установлено, в частности, что кофеин уже при субмиллимолярных концентрациях оказывает целый ряд физиологических эффектов, включая неселективное ингибирование фосфодиэстеразы, приводящее к повышению уровня циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), активирование окисления жирных кислот, снижение внутриклеточной концентрации ионов калия путем гиперполяризации мембран, а также выступая в качестве антагониста аденозиновых рецепторов [2], [5]. Кроме того, известно, что кофеин играет важную роль в развитии резистентности организмов к бактериальным инвазиям путем повышения концентрации некоторых видов иммунопотентных клеток и усиления активности лизоцима, а также способен снижать летальный эффект ионизирующего излучения и усиливать ингибирующее воздействие таких антибактериальных агентов, как пенициллин и тетрациклин [1], [5].

На онтогенетическом уровне влияние кофеина наиболее изучено на примерах высших животных (в первую очередь млекопитающих) и микроорганизмов. Показано, что в первом случае данное соединение при длительном приеме в малых дозах способно вызывать серьезные проблемы со здоровьем, такие как повышение уровня адреналина, иррегулярная мышечная активность, сердечная аритмия и остеопороз [8], [10]. В случае микроорганизмов был выявлен однозначный ингибирующий эффект кофеина на рост и развитие колоний как бактериальных, так и дрожжевых культур, который зависел не только от концентрации вещества, но и от видовой принадлежности изучаемых объектов [4], [5], [11]. Однако воздействие кофеина на растительные клетки и организм в целом известно в меньшей степени. Ситуация осложняется тем, что само соединение относится к числу аллелопатических веществ – вторичных метаболитов, вырабатываемых целым рядом высших цветковых растений и способных обеспечивать последним ряд конкурентных преимуществ. Первая работа, посвященная изучению влияния кофеина на наиболее распространенные культурные растения, датируется еще началом ХХ века, а ее автор (F. Ransom) выявил однозначный негативный эффект данного соединения на ранние стадии онтогенеза всех экспериментальных видов, кроме Tropaeolum majus [12]. Аналогично A. Tanti и соавторы обнаруживают, что кофеин оказывает угнетающее воздействие на всхожесть семян и развитие проростков Borella hispida, усиливающийся по мере нарастания концентрации этого вещества [13]. Другие авторы (O. Montes и соавторы, M. Jadhav и соавторы) установили стимулирующее воздействие кофеина на ранние стадии развития некоторых видов семейств Solanaceae и Fabaceae [14], [15]. Очевидно, что в случае высших растений зависимость «доза-эффект» развития организмов от концентрации кофеина не является столь однозначной, как для животных и бактерий и во многом обусловлена видовой принадлежностью исследуемых объектов.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния кофеина на всхожесть и ранние стадии онтогенеза двудольных растений, относящихся к различным семействам: гречихи посевной (Fagopyrum esculentum M.)  и льна посевного (Linum usitatissimum L.) – зерновых и  технических  культур, широко распространенных в ряде регионов Российской Федерации. Представленный эксперимент производили в течение февраля-мая 2017 г. в  лабораторных условиях в шестикратной повторности. Семена исследуемых растений культивировали в чашках Петри  между листами фильтровальной бумаги (в чашку помещали по 20 семян гречихи или 30 семян льна), в которые вносили  водный раствор кофеина в количестве 5 мл концентраций 0,025%, 0,05% и 0,10% (по три чашки для каждой концентрации). Культивирование осуществляли при комнатной температуре (22-24 ⁰С) в течение 120 часов. Итоговую всхожесть определяли по завершении эксперимента и рассчитывали согласно стандартной методике [16]. Кроме того, регулярно, начиная со вторых суток культивирования, оценивали  длину главного корешка, гипокотиля и массу проростков. Обработку результатов эксперимента производили с оценкой средних арифметических значений каждого из показателей по всем выборкам, на основании t-критерия оценивали достоверность различий между контролем и экспериментальными выборками.

На рис.1 отражены результаты определения итоговой всхожести проростков к завершению эксперимента. Как следует из представленных данных, кофеин начиная с концентрации 0,05% оказывал негативный эффект на всхожесть семян гречихи; в то же время для льна посевного данная концентрация не являлась критической, более того, при низких концентрациях кофеина наблюдали даже незначительный положительный эффект для всхожести семян L. usitatissimum (96,7% по сравнению с 93,3% в контроле), который однако мог находиться в пределах экспериментальной погрешности. Четкий негативный эффект от воздействия данного вещества на прорастание семян начинает фиксироваться при концентрации 0,10%, когда всхожесть семян льна составляет уже 87,2%. Отметим, что в контрольных условиях всхожесть семян гречихи превышала во всех случаях аналогичный показатель для льна посевного, однако в дальнейшем по мере нарастания концентрации раствора кофеина картина изменяется (рис.1), хотя общая тенденция к незначительному снижению всхожести остается во всех экспериментальных выборках.

Рис.1 – Влияние кофеина на всхожесть семян гречихи посевной и льна посевного

Для сравнения влияния конкретных веществ на рост и развитие растений, относящихся к различным или одному виду, недостаточно оценить только всхожесть семян, но необходимо учесть также динамику изменения основных морфометрических показателей роста – длины надземной (гипокотиля), подземной (корневой) частей растений, соотношение этих показателей, а также массу проростков. В табл.1 объединены средние значения морфометрических параметров проростков гречихи посевной, а в табл.2 – проростков льна посевного по всем повторностям эксперимента через 72 ч и 120 ч культивирования. Результаты, отраженные в табл.1, демонстрируют, что, как и в случае со всхожестью семян,  раствор кофеина всех использованных концентраций негативно влияет на оцениваемые величины, хотя масса проростков менее чувствительна  к воздействию миллимолярного раствора, нежели другие ростовые показатели. Более того, отрицательный эффект от воздействия кофеина в большей степени сказывается на развитии подземного органа проростков F. esculentum, что согласуется с литературными данными: кофеин в первую очередь нарушает процессы митотического цикла в корневой меристеме [15]. Это подтверждается постепенным изменением соотношения длин главного корешка и гипокотиля в пользу второй величины по мере нарастания концентрации кофеина. Отметим также, что ингибирующее воздействие кофеина  наиболее отчетливо фиксировалось на самых ранних стадиях развития проростков (экспозиция 72 часа), в дальнейшем эффект постепенно нивелировался.

 

Таблица 1 – Влияние кофеина на развитие проростков гречихи посевной

Примечание: ±, % - отклонение экспериментальных данных от контроля * - статистически достоверное различие между выборкой и контролем Р<0,05.

 

Таблица 2 – Влияние кофеина на развитие проростков льна посевного

Примечание: ±, % - отклонение экспериментальных данных от контроля * - статистически достоверное различие между выборкой и контролем Р<0,05; ** - Р< 0,01

 

Данные, представленные в табл.2, свидетельствуют, что воздействие кофеина на развитие проростков L. usitatissimum также носит отрицательный характер, но по динамике изменения параметров существенно отличается от такового для F. esculentum. В первом случае через 72 ч культивирования средние значения длины гипокотиля во всех подвергшихся воздействию кофеина выборках достоверно не отличались от таковых в контроле, тогда как в случае льна посевного достоверный ингибирующий эффект данного соединения проявлялся уже в случае его минимальной концентрации (0,025%) и эта тенденция сохранялась на протяжении всего эксперимента. Кроме того, у L. usitatissimum длина гипокотиля по мере нарастания концентрации кофеина уменьшается не в меньшей, а даже в несколько  большей степени, нежели длина главного корня, что позволяет предположить, что для этого вида характерна равная чувствительность клеток надземной и подземной части растения к воздействию кофеина. Данный тезис подтверждается тем, что соотношение длина корня: длина гипокотиля у льна посевного в отличие от гречихи достоверно не изменяется по сравнению с контролем на протяжении всего эксперимента. Что касается влияния кофеина на массу проростков, то картина, представленная в табл.2, практически не отличается от данных табл.1: отрицательный эффект от воздействия соединения начинает проявляться только через 120 ч культивирования и при максимальной из использованных концентраций вещества – 0,10%; во всех прочих случаях достоверных различий между экспериментальными выборками и контролем выявлено не было – сокращение продольных размеров проростков компенсировалось увеличением диаметра побега.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать вывод об однозначно негативном воздействии кофеина (1,3,7-триметилксантина) на ранние стадии развития обоих исследуемых видов – Fagopyrum esculentum M. и Linum usitatissimum L., которое проявляется в уменьшении длины надземной части и корневой системы, выявляющемся уже в течение третьих-пятых суток эксперимента при минимальной концентрации данного соединения – 0,025% и возрастающем по мере увеличения последней. Масса проростков во всех случаях эксперимента демонстрирует гораздо меньшую зависимость от наличия кофеина в водных растворах: достоверное снижение массы и для проростков льна посевного, и для проростков гречихи было зафиксировано лишь через 120 часов эксперимента при концентрации кофеина 0,10%. Одновременно были выявлены особенности реакции проростков на кофеин, обусловленные видовой принадлежностью исследованных растений. У F. esculentum обратно пропорциональная зависимость между концентрацией вещества и морфометрическими параметрами в наибольшей степени наблюдалась для длины главного корня, что свидетельствует о большей чувствительности корневой меристемы к кофеину. В то же время у L. usitatissimum данное соединение оказывало достоверное ингибирующее воздействие  на развитие гипокотиля, длина которого сокращалась уже в случае применения минимальных доз кофеина. Всхожесть семян была в меньшей степени подвержена воздействию этого вещества: незначительное снижение показателя начинает фиксироваться лишь при обработке выборок раствором кофеина максимальной концентрации – 0,10%. В целом, проведенный эксперимент свидетельствует о достаточно высокой чувствительности F. esculentum  и L. usitatissimum к кофеину в лабораторных условиях при длительном воздействии, которая, однако, носит видоспецифичный характер.

Список литературы / References

1. Dash S. Inhibitory effect of caffeine on growth of various bacterial strains / S. Dash, S. Gummadi // Research Journal of Microbiology.– 2008.– Vol. 3 (6).– P.457-465.
2. Pesta D. The effect of caffeine, nicotine, ethanol, and tetrahydrocannabinol on exercise performance / D. Pesta, S. Angadi, M. Burtscher // Nutrition & Metabolism.– 2013.– Vol. 10(71).– URL: www.nutritionandmetabolism.com/content/10/71.
3. Nath J. Effects of caffeine and methylxanthines on the development and metabolism of sea urchin eggs / J. Nath, L. Rebhun // The Journal of Cell Biology.– 1976.– Vol.68.– P.440-450.
4. Gaul J. Caffeine and its effect on bacteria growth / J. Gaul, K. Donegan // The Journal of Biological Sciences.– 2015.– Vol. 1.– P.4-8.
5. Ramanaviciene A. Anti-bacterial effect of caffeine on Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens / A. Ramanaviciene, V. Mostovojus, I. Bachmatova // Acta Medica Lituanica.– 2003.– Vol. 10.– No. 4.– P.185-188.
6. Raj C. Effect of naturally occurring xanthines on bacteria / C. Raj, S. Dhala // Applied Microbiology.– 1965.– Vol. 13.– No. 3.– P.432-436.
7. Zelensky A. Caffeine suppresses homologous recombination through interference with RAD51-mediated joint molecule formation / A. Zelensky, H. Sanchez, D. Ristic // Nucleic Acids Research.– 2013.– Vol. 41.– P. 6475-6489.
8. Simitha J. Effect of caffeine on morphological characteristics and biomass concentration of various microorganisms / J. Simitha, S. Rajapriya // International Journal of Recent Scientific Research.– 2015.– Vol. 6.– P.5621-5624.
9. Valster A. Caffeine inhibition of cytokinesis: effect on phragmoplast cytoskeleton in living Tradeskantia stamen hair cells / A. Valster, P. Hepler // Protoplasma .– 1997.– Vol. 197.– P. 155-166.
10. Agomuo E. Effect of caffeine on some selected biochemical parameters using rat model / E. Agomuo, M. Duru, B. Amadi // Hindawi. Advanced in Biology.– 2017.– URL: https://doi.org/10.1155/2017/9303276.
11. Hu L. Effect of caffeine concentration and incubation time on the cell concentration of wild-type Saccharomyces cerevisiae / L. Hu, T. Jeong, J. Kim // The Expedition.– 2016.– Vol. 6.– URL: http://ojs.library.ubc.ca/index.php/expedition/article/view/189116.
12. Ransom F. The effect of caffeine upon the germination and growth of seeds / F. Ransom // Bio-chemical Journal.– 1911.– Vol.12.– P.151-155.
13. Tanti A. Allelopathic potential of caffeine as growth and germination inhibitor to popular tea weed, Boreria hispida L. / A. Tanti, P. Bhattacharyya, S. Sandilya // Current Life Science.– 2016. – Vol. 2 (4).– P. 114-117.
14. Montes O. Doses of caffeine on the development and performance of pepper crops under greenhouse / O. Montes, F. Dianez, F. Camacho // Horticultura Brasileira.– 2014.– Vol.32.– No.4.– P.398-403.
15. Jadhav M. Study on effect of caffeine on growth of Vigna radiatа L. / M. Jadhav, N. Taur, S. Sapkal and others // International Journal of Advanced Research.– 2016.– Vol.4.– No.3.– P. 596-602.
16. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур: методы определения всхожести.– М.: Стандартинформ, 2011.– 64 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dash S. Inhibitory effect of caffeine on growth of various bacterial strains / S. Dash, S. Gummadi // Research Journal of Microbiology.– 2008.– Vol. 3 (6).– P.457-465.
2. Pesta D. The effect of caffeine, nicotine, ethanol, and tetrahydrocannabinol on exercise performance / D. Pesta, S. Angadi, M. Burtscher // Nutrition & Metabolism.– 2013.– Vol. 10(71).– URL: www.nutritionandmetabolism.com/content/10/71.
3. Nath J. Effects of caffeine and methylxanthines on the development and metabolism of sea urchin eggs / J. Nath, L. Rebhun // The Journal of Cell Biology.– 1976.– Vol.68.– P.440-450.
4. Gaul J. Caffeine and its effect on bacteria growth / J. Gaul, K. Donegan // The Journal of Biological Sciences.– 2015.– Vol. 1.– P.4-8.
5. Ramanaviciene A. Anti-bacterial effect of caffeine on Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens / A. Ramanaviciene, V. Mostovojus, I. Bachmatova // Acta Medica Lituanica.– 2003.– Vol. 10.– No. 4.– P.185-188. [in English]
6. Raj C. Effect of naturally occurring xanthines on bacteria / C. Raj, S. Dhala // Applied Microbiology.– 1965.–Vol.13.–No. 3.– P.432-436.
7. Zelensky A. Caffeine suppresses homologous recombination through interference with RAD51-mediated joint molecule formation / A. Zelensky, H. Sanchez, D. Ristic // Nucleic Acids Research.– 2013.– Vol. 41.– P. 6475-6489.
8. Simitha J. Effect of caffeine on morphological characteristics and biomass concentration of various microorganisms / J. Simitha, S. Rajapriya // International Journal of Recent Scientific Research.– 2015.– Vol. 6.– P.5621-5624.
9. Valster A. Caffeine inhibition of cytokinesis: effect on phragmoplast cytoskeleton in living Tradeskantia stamen hair cells / A. Valster, P. Hepler // Protoplasma .– 1997.– Vol. 197.– P. 155-166.
10. Agomuo E. Effect of caffeine on some selected biochemical parameters using rat model / E. Agomuo, M. Duru, B. Amadi // Hindawi. Advanced in Biology.– 2017.– URL: https://doi.org/10.1155/2017/9303276.
11. Hu L. Effect of caffeine concentration and incubation time on the cell concentration of wild-type Saccharomyces cerevisiae / L. Hu, T. Jeong, J. Kim // The Expedition.– 2016.– Vol. 6.– URL: http://ojs.library.ubc.ca/index.php/expedition/article/view/189116.
12. Ransom F. The effect of caffeine upon the germination and growth of seeds / F. Ransom // Bio-chemical Journal.–1911.–Vol.12.–P.151-155.
13. Tanti A. Allelopathic potential of caffeine as growth and germination inhibitor to popular tea weed, Boreria hispida L. / A. Tanti, P. Bhattacharyya, S. Sandilya // Current Life Science.– 2016. – Vol. 2 (4).– P. 114-117.
14. Montes O. Doses of caffeine on the development and performance of pepper crops under greenhouse / O. Montes, F. Dianez, F. Camacho // Horticultura Brasileira.– 2014.– Vol.32.– No.4.– P.398-403.
15. Jadhav M. Study on effect of caffeine on growth of Vigna radiatа L. / M. Jadhav, N. Taur, S. Sapkal and others // International Journal of Advanced Research.– 2016.– Vol.4.– No.3.– P. 596-602.
16. GOST 12038-84 Semena sel'skohozjajstvennyh kul'tur: metody opredelenija vshozhesti [Seeds of agricultural crops: methods of germination assessment].– M.: Standartinform, 2011.– 64 р. [in Russian]