ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОФЕИНА НА ВСХОЖЕСТЬ И РОСТ FAGOPYRUM ESCULENTUM M. И LINUM USITATISSIMUM L. В ПОЧВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Гордеева И.В.¹, Алешина Л.В.²

¹Кандидат биологических наук, ²Кандидат химических наук, Уральский государственный экономический университет

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОФЕИНА НА ВСХОЖЕСТЬ И РОСТ FAGOPYRUM ESCULENTUM M. И LINUM USITATISSIMUM L. В ПОЧВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Аннотация

Цель настоящего исследования заключалась в изучении влияния 1,3,7-триметилксантина (кофеина) на ранние стадии онтогенеза гречихи посевной (Fagopyrum esculentum M.) и льна посевного (Linum usitatissimum L.). Семена обоих видов растений замачивались на протяжении шести часов в растворах кофеина разных концентраций (0,025%, 0,05% и 0,10%) и затем высаживались в почву. На протяжении 9-10 суток оценивалась всхожесть семян и высота надземной части растений, а также относительная скорость роста. Установлено, что реакция растений на воздействие кофеина неоднозначна и носит видоспецифичный характер, а также зависит от конкретной концентрации данного вещества.

Ключевые слова: кофеин, Fagopyrum esculentum M., Linum usitatissimum L., всхожесть семян, динамика роста, аллелопатическое соединение.

Gordeeva I.V.¹, Aleshina L.V.²

¹PhD in Biology, ²PhD in Chemistry, Ural State University of Economics

STUDY OF THE INFLUENCE OF CAFFEINE ON GERMINATION AND GROWTH OF FAGOPYRUM ESCULENTUM M. AND LINUM USITATISSIMUM L. IN SOIL CONDITIONS

Abstract

The purpose of this research was the study of the effect of 1,3,7-trimethylxanthine (caffeine) on the early stages of ontogeny of buckwheat (Fagopyrum esculentum M.) and flax seed (Linum usitatissimum L.). Seeds of both plant species were soaked in caffeine solutions of different concentrations (0.025%, 0.05% and 0.10%) for six hours and then planted into the soil. For 9-10 days, the germination of seeds and the height of the aerial parts of plants were estimated, as well as their relative growth rate. It is established that the reaction of plants to caffeine is ambiguous, has a species specific character and depends on the specific concentration of this substance.

Keywords: caffeine, Fagopyrum esculentum M., Linum usitatissimum L., seed germination, growth dynamics, allelopathic connection.

Кофеин (1,3,7-триметилксантин) представляет собой алкалоид пуринового ряда, выявленный на сегодняшний день у приблизительно 100 видов высших растений и обладающий широким спектром воздействия на живые организмы [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]. Данное вещество относится к так называемым аллелопатическим соединениям – вторичным метаболитам, вырабатываемым конкретными видами живых организмов и способным оказывать прямое либо опосредованное, стимулирующее или ингибирующее воздействие на объекты, относящиеся к тому же или другим систематическим таксонам [2], [3], [4]. Аллелопатический эффект кофеина на клеточном уровне был изучен достаточно подробно. В частности, известно, что 1,3,7-триметилксантин может оказывать мутагенное воздействие на бактериальные клетки, а также ингибировать формирование клеточной пластинки в процессе цитокинеза у растений [5], [6]. Кроме того, кофеин непосредственно влияет на внутриклеточную концентрацию ионов Ca²⁺ и опосредованно – на антагонизм рецепторов аденозина, а также биохимические механизмы восприимчивости нарушений молекулярной структуры ДНК [7]. Подобный эффект позволяет использовать данное аллелопатическое соединение для подавления роста и развития in vivo грамположительных бактерий наряду с антибиотикотерапией [7], [8]. В то же время присутствие кофеина в почве оказывает негативное воздействие на локальную микробиоту, нарушая тем самым экологический баланс, что может отрицательным образом повлиять на рост и развитие местных многоклеточных организмов [3].

Что касается непосредственного влияния 1,3,7-триметилксантина на онтогенез цветковых растений, то следует признать, что, несмотря на значительное количество исследований, посвященных данной теме, вплоть до настоящего времени не существует однозначного мнения об эффекте как самого кофеина, так и экстрактов семян кофе на рост и развитие сельскохозяйственных культур и других видов. Первая в данной области работа была опубликована в 1911 г [9]. В ней F. Ransom отмечает безусловное негативное воздействие кофеина на всхожесть семян и развитие проростков всех исследованных автором видов растений, за исключением настурции Tropaeolum majus. В то же время O. Montes and others показывают, что данное соединение демонстрирует однозначно стимулирующее влияние на рост целого ряда растений семейства Solanaceae [10]. M. Jadhav and others выявили положительную корреляцию между содержанием кофеина в растворе (0,5-1,25%) для замачивания семян – с одной стороны и длиной корней и надземной части растений Vigna radiata – с другой [11]. V. Balasubrahmanyam и S. Khanduia отмечают, что внесение раствора кофеина в почву повышает содержание белков и сахаров в ягодах винограда, а также увеличивает количество побегов у лозы, но не влияет на количество и размер ягод [12]. A. Tanti and others, изучая аллелопатический эффект кофеина на развитие Borella hispida, приходят к выводу, что это вещество проявляет себя как ингибитор всхожести семян и дальнейшего онтогенеза растений [3]. Таким образом, можно заключить, что результаты исследования во многом зависят от конкретной методики, включая видовую принадлежность изучаемого растения, а также используемых в эксперименте концентраций растворов кофеина.

В данной работе представлены результаты исследования влияния кофеина на всхожесть семян и дальнейший рост Fagopyrum esculentum M. (гречихи посевной) и Linum usitatissimum L. (льна посевного) – ценных сельскохозяйственных растений класса двудольных. Исследование осуществлялось на протяжении марта-мая 2017 г. в пяти повторностях. Семена гречихи посевной и льна посевного помещались в чашки Петри с фильтровальной бумагой, в которые вносился 0,025%-й, 0,05%-й или 0,10%-й раствор кофеина в дистиллированной воде в количестве 5 мл. Замачивание семян осуществлялось на протяжении шести часов, после чего семена вносились в стаканчики объемом 150 мл с заранее подготовленной почвой из расчета 5 семян конкретного вида растений в один стаканчик, согласно стандартной методике [13]. В качестве контроля использовались семена из той же партии, замоченные в дистиллированной воде. В эксперименте применялась почва на основе фрезерного торфа верхового типа (рН=6-6,5), нейтрализованная известковыми материалами и содержащая NH₄NO₃, P₂O₅ и К₂О. Проращиваемые семена поливались профильтрованной водопроводной водой по мере высыхания почвы. Проращивание осуществлялось на протяжении 9 суток для гречихи и 10 суток – для льна посевного. Начиная с четвертых суток проращивания ежедневно оценивалась всхожесть семян и измерялась высота надземной части растений. При обработке результатов эксперимента оценивалось среднее арифметическое значение данного показателя для каждой выборки. Различия между экспериментальными значениями и контролем определялись на основании t-критерия.

На рис.1-2 представлены результаты оценки всхожести семян на протяжении всех дней эксперимента. Данные обеих гистограмм показывают не только существенные различия между всхожестью семян, замоченных в растворе кофеина разных концентраций, и контролем, но и заметную разницу в динамике этого показателя у F. esculentum и L. usitatissimum. Если у первого вида максимальная всхожесть семян как в контрольном опыте, так и в эксперименте с использованием 0,10%-го раствора кофеина была достигнута уже на шестые сутки исследования и с тех пор практически не изменялась, то у семян льна посевного данный показатель нарастал у всех выборок фактически до последнего дня эксперимента (рис.2). В то же время для обоих видов растений был отмечен позитивный эффект 0,10%-го раствора кофеина на всхожесть семян. Однако растворы данного вещества меньших концентраций уже не оказывали столь однозначного воздействия: например, 0,025%-й раствор 1,3,7-триметилксантина замедляет рост гречихи посевной на протяжении пятых-седьмых суток исследования, но в дальнейшем данный эффект практически сводится к минимуму, хотя средняя всхожесть остается несколько ниже контрольной (рис.1). Что касается L. usitatissimum, то, как следует из рис.2, минимальная концентрация кофеина, так же, как и максимальная, оказывает стимулирующее воздействие на всхожесть на протяжении всего эксперимента. В целом можно констатировать, что для льна посевного отмечается позитивный эффект от замачивания семян в растворах кофеина всех исследуемых концентраций, тогда как для гречихи посевной подобное влияние выявлено лишь для концентрации 0,10%; все же прочие концентрации оказывают либо незначительный, либо ингибирующий эффект на всхожесть семян.

 

Рис. 1 – Влияние кофеина на всхожесть семян Fagopyrum esculentum M.

Рис. 2 – Влияние кофеина на всхожесть семян Linum usitatissimum L.

В табл.1-2 отражены результаты измерения высоты надземной части проростков гречихи посевной (табл.1) и льна посевного (табл.2) в динамике на протяжении девяти (для гречихи) или десяти (для льна) суток наблюдений. Данные, представленные ниже, показывают, что раствор кофеина оказывает достоверное воздействие на данную величину; причем если для проростков льна выявляется стимулирующий эффект низкой концентрации этого  аллелопатического соединения, который снижается по мере возрастания содержания 1,3,7-триметилксантина в растворе, то у гречихи фиксируется ингибирующее воздействие 0,025%-го раствора уже на четвертые сутки проращивания, которое однако нивелируется впоследствии (табл.1). Аналогичная картина наблюдается и при оценке влияния на длину надземной части у F. esculentum 0,10%-го раствора кофеина; в то же время раствор 0,05%-й концентрации оказывает стабильное негативное воздействие на последний показатель на протяжении всего исследования.

 

Таблица 1 – Влияние кофеина на высоту надземной части Fagopyrum esculentum M.

Примечание: * - статистически достоверное различие между выборкой и контролем Р<0,05; ** - Р<0,01.

 

Таблица 2 – Влияние кофеина на высоту надземной части Linum usitatissimum L.

Для более отчетливого представления о характере воздействия аллелопатического соединения на развитие растений важно принимать во внимание не только абсолютные, но и относительные значения величины. На рис.3-4 представлены графики изменения в ходе эксперимента относительной скорости роста стебля. Данные, демонстрируемые на рис.3, показывают, что на скорость роста проростков гречихи растворы кофеина концентраций 0,025% и 0,10% оказывают практически идентичное влияние, что хорошо согласуется со значениями, отраженными в табл.1, и контрастируют с результатами воздействия 0,05%-й концентрации и контрольного эксперимента. Что касается характера воздействия кофеина на скорость роста стеблей льна, то здесь можно отметить практически синхронные колебания данной величины для всех выборок. за исключением таковой, подвергшейся влиянию 0,05%-го раствора этого вещества. В последнем случае относительная скорость роста демонстрировала первый пик подъема уже на шестые сутки эксперимента, когда во всех остальных случаях наблюдался резкий спад данной величины, т.е. графики в первое время шли в противофазе, хотя уже к восьмому дню исследования произошла синхронизация темпов роста всех значений.

 

Рис. 3 – Влияние кофеина на относительную скорость роста надземной части Fagopyrum esculentum M.

Рис. 4 – Влияние кофеина на относительную скорость роста надземной части Linum usitatissimum L.

 

Результаты проведенного эксперимента показывают, что влияние такого аллелопатического соединения, как кофеин, на онтогенез цветковых растений зависит от видовой принадлежности последних, что согласуется с литературными данными [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Если для Linum usitatissimum L. был зафиксирован однозначный положительный эффект 1,3,7-триметилксантина как на всхожесть семян, так и на высоту надземной части растений на протяжении всего эксперимента, то для Fagopyrum esculentum M. влияние данного вещества не было столь однозначным и зависело исключительно от концентрации раствора исходного соединения, причем однозначной прямой или обратной корреляции между последней и исследуемыми величинами также не было выявлено. Очевидно, что преобладающий биохимический эффект кофеина на гречиху посевную определяется конкретной концентрацией этого соединения.

Список литературы / References

1. Sledz W. Antibacterial activity of caffeine against plant pathogenic bacteria / W. Sledz, E. Los, A. Paczek and others // Acta Biochimica Polonica. – 2015. – Vol. 62. – No 3. – P.6 05-612.
2. Peneva A. Allelopathic effect of seed extracts and powder of coffee (Coffea arabica L.) on common cocklebur (Xantium strumatium L.) / A. Peneva // Bulgarian Journal of Agricultural Science. – 2007. – Vol. 13. – P. 205-211.
3. Tanti A. Allelopathic potential of caffeine as growth and germination inhibitor to popular tea weed, Boreria hispida L. / A. Tanti, P. Bhattacharyya, S. Sandilya and others // Current Life Science. – 2016. – Vol. 2(4). – P. 114-117.
4. Isfahan M. The effect of some allelochemicals on seed germination of Coronilla varia L. seeds / M. Isfahan, M. Shariati // American-Eurasian Journal of Agriculture and Environment Science. – 2007. – Vol. 2(5). –P. 534-538.
5. Lahouti M. Effect of caffeine on structure and ultrastructure of shoot apical meristem of Phaseolus vulgaris L. / M. Lahouti, H. Mahmoodzadeh, S. Jamshidi // International Journal of Botany. – 2007. – Vol. 3(4). – P. 379-384.
6. Hepler P. Caffeine inhibition of cytokinesis: ultrastructure of cell plate formation/degradation / P. Hepler, C. Bonsignore // Protoplasma, 1990. – Vol. 157. – P. 182-192.
7. Ramanaviciene A. Anti-bacterial effect of caffeine on Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens / A. Ramanaviciene, V.Mostovojus, I. Bachmatova and others // Acta Medica Lituanica. – 2003. – Vol. 10. – No. 4. – P.185–188.
8. Gibson A. Possible effect of the presence of common household chemicals in the environment: the growth of an aquatic bacterial species on high concentrations of caffeine / A. Gibson, R. Morgan, N. MacDonald // Journal of Biotechnology Research. – 2012. – Vol. 4. – P. 72–79.
9. Ransom F. The effect of caffeine upon the germination and growth of seeds / F. Ransom // Bio-chemical Journal. – 1911. – Vol.12. – P. 151-155.
10. 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.
11. Jadhav M. Study on effect of caffeine on growth of Vigna radiate L. / M. Jadhav, N. Taur, S. Sapkal and others // International Journal of Advanced Research. – 2016. – Vol. 4. – No. 3. – P. 596-602.
12. Balasubrahmanyam V. Effect of foliar sprays of uracil and caffeine on the nucleic acid and protein content of leaves and fruiting of Thompson seedless grapes / V. Balasubrahmanyam, S. Khanduia // National Botanic Gardens. – 1973. – Vol. 12. – P. 100-104.
13. Гордеева И.В. Влияние низких концентраций раствора NaCl на прорастание семян Hordeum vulgare L. / И.В. Гордеева // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – №12-1(54).– С. 14-17.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sledz W. Antibacterial activity of caffeine against plant pathogenic bacteria / W. Sledz, E. Los, A. Paczek and others // Acta Biochimica Polonica. – 2015. – Vol.62. – No 3. – P.605-612. [in English]
2. Peneva A. Allelopathic effect of seed extracts and powder of coffee (Coffea arabica L.) on common cocklebur (Xantium strumatium L.) / A. Peneva // Bulgarian Journal of Agricultural Science. – 2007. – Vol. 13. – P. 205–211.
3. Tanti A. Allelopathic potential of caffeine as growth and germination inhibitor to popular tea weed, Boreria hispida L. / A. Tanti, P. Bhattacharyya, S. Sandilya and others // Current Life Science. – 2016. – Vol. 2(4). – P. 114-117.
4. Isfahan M., Shariati M. The effect of some allelochemicals on seed germination of Coronilla varia L. seeds / M. Isfahan, M. Shariati // American-Eurasian Journal of Agriculture and Environment Science. – 2007. – Vol. 2(5).–P. 534-538.
5. Lahouti M. Effect of caffeine on structure and ultrastructure of shoot apical meristem of Phaseolus vulgaris L. / M. Lahouti, H. Mahmoodzadeh, S. Jamshidi // International Journal of Botany. – 2007. – Vol. 3(4). – P. 379-384. [in English]
6. Hepler P. Caffeine inhibition of cytokinesis: ultrastructure of cell plate formation/degradation / P. Hepler, C. Bonsignore // Protoplasma. – 1990. – Vol. 157. – P. 182-192.
7. Ramanaviciene A. Anti-bacterial effect of caffeine on Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens / A. Ramanaviciene, V.Mostovojus, I. Bachmatova and others // Acta Medica Lituanica. – 2003. – Vol. 10. – No. 4. – P. 185-188.
8. Gibson A. Possible effect of the presence of common household chemicals in the environment: the growth of an aquatic bacterial species on high concentrations of caffeine / A. Gibson, R. Morgan, N. MacDonald // Journal of Biotechnology Research. – 2012. – Vol. 4. – P. 72-79.
9. Ransom F. The effect of caffeine upon the germination and growth of seeds / F. Ransom // Bio-chemical Journal. – 1911. – Vol. 12. – P. 151-155.
10. 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.
11. Jadhav M. Study on effect of caffeine on growth of Vigna radiate L. / M. Jadhav, N. Taur, S. Sapkal and others // International Journal of Advanced Research. – 2016. – Vol. 4. – No. 3. – P. 596-602.
12. Balasubrahmanyam V. Effect of foliar sprays of uracil and caffeine on the nucleic acid and protein content of leaves and fruiting of Thompson seedless grapes / V. Balasubrahmanyam, S. Khanduia // National Botanic Gardens. – 1973. – Vol. 12. – P. 100-104.
13. Gordeeva I.V. Vliyanie nizkih koncentracij rastvora NaCl na prorastanie semyan Hordeum vulgare L. [Effect of NaCl solution of low concentrations on seed germination of Hordeum vulgare L.] / I.V. Gordeeva // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2016. – No. 12-1(54). – P. 14-17. [in Russian]