THE POSSIBILITY OF DEVELOPING AN ADAPTIVE RESPONSE IN PLANTS TO THE GENOTOXICITY OF NITROGEN-CONTAINING HETEROCYCLIC COMPOUNDS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.132.52
Issue: № 6 (132), 2023
Suggested:
06.04.2023
Accepted:
30.05.2023
Published:
16.06.2023
654
5
XML
PDF

Abstract

The ability of Allium fistulosum to develop an adaptive response when the plant was exposed to alcohol solutions of 1-(methylsulfonyl)-1H-1,2,4-triazole, 2-(phenylsulfonyl)-2H-benzotriazole, 2-(methylsulfonyl)-2H-benzotriazole was studied. For this purpose, seeds were germinated for 1 day in solutions of low concentration of 0.0001 mg/ml, then transferred to solutions with concentration of 0.1 mg/ml for 4 days. At the same time, the seeds were germinated for 5 days in the solutions of the tested concentrations for 5 days. The plants were found to show an adaptive response at the organismal level, reducing the inhibitory effects of the compounds in high concentration on root growth and seed germination. Regardless of the type of exposure at the cellular level, the compounds induced a block at the anaphase stage, and the number of induced chromosome aberrations was also not affected by either concentration or type of exposure to the compounds on root meristem cells. All compounds did not induce an adaptive response in root meristem cells.

1. Введение

В настоящее время существует проблема соотношения роста населения и, как следствие этого, возрастание потребности в сельскохозяйственной продукции и возможности усиления продуктивности растений, используемых в пищевой промышленности, за счёт химических соединений. Исследование причин возникновения многочисленных аллергий указало на их связь со способностью растений аккумулировать эти соединения их не только в стеблях и корнях, но и в плодах. Это является причиной продолжения поиска препаратов, применяемых в сельском хозяйстве, с высокой избирательностью их действия. Среди таких препаратов все чаще применяются производные гетероциклических азотсодержащих соединений, уже продемонстрировавших свою эффективность

.

Однако их постоянное использование привело к появлению сорных растений и грибов-паразитов, устойчивых к ним

.

Выяснение механизмов избирательного возникновения устойчивости к определённым соединениям с целью разработки способов повышения адаптационных способностей только у культурных растений, не затрагивая механизмы адаптации у сорных растений и патогенных грибов, является первостепенной.

Целью данного исследования стало изучение способности растений адаптироваться к генотоксичности синтетических гетероциклических азолов в высокой дозе (0,1 мг/мл) при предварительном воздействии этими же соединениями в очень низких концентрациях (0,0001 мг/мл).

2. Методы и принципы исследования

В качестве тест-объекта использовался лук-батун Allium fistulosum сорта «Русский зимний». Мы исследовали гетероциклические азотсодержащие сульфонильные производные, различающиеся структурами гетероцикла и сульфокислоты (табл.1).

Таблица 1 - Соединения, использованные в эксперименте

Соединения растворяли в 0,5 % изопропиловом спирте. Было поставлено три серии экспериментов.

Серия 1. Семена лука по 30 штук проращивали в чашках Петри в трех повторах в спиртовых растворах соединений в концентрации 0,0001 мг/мл в течение 5 суток.

Серия 2. Семена лука по 30 штук проращивали в чашках Петри в трех повторах в спиртовых растворах соединений в концентрации 0,1 мг/мл в течение 5 суток.

Серия 3. Семена лука по 30 штук проращивали в чашках Петри в трех повторах в спиртовых растворах соединений в концентрации 0,0001 мг/мл в течение суток, затем их переносили в чашки Пери с растворами в концентрации 0,1 мг/мл на четверо суток.

Контролем служили семена, пророщенные в растворителе в течение 5 суток.

Оценивали: токсичность по всхожести семян в процентах, длине корней на 5 день роста, в мм.; цитотоксичность по величине митотического индекса, и митозомодифицирующее действие по изменению относительной продолжительности фаз митоза. Для этого готовили стандартные давленые препараты, окрашенные ацетокармином

.

Мутагенность оценивали по числу аберрантных ана-телофаз

.

Достоверность различий между опытом и контролем, а также между действиями разных концентраций, оценивали с помощью двухфакторного анализа и непараметрического критерия Вилкоксона-Манна-Уитни

.

3. Результаты и обсуждение

Лук-батун, как правило, имеет хорошую всхожесть, однако проращивание в спиртовом растворе снизило всхожесть семян по сравнению с проращиванием в воде. В наших экспериментах всхожесть семян в контроле составила 70%.

На рис. 1 обобщены результаты по проведённым экспериментам влияния соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III).

 Влияние разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на всхожесть семян Allium fistulosum

Рисунок 1 - Влияние разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на всхожесть семян Allium fistulosum

Как видно из полученных результатов, высокая концентрация (0,1 мг/мл) исследуемых азолов достоверно ингибирует всхожесть семян (p<0,05). Самую высокую токсичность проявили производные с метильной группой 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола и 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазол, самую низкую фенильное производное бензотриазола (2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазол). Предварительное проращивание в растворах с низкой концентрацией (0,0001 мг/мл) достоверно (p<0,05) повышало всхожесть, после проращивания потом в растворах высокой концентрации. Величина адаптивного ответа достоверно зависела от строения веществ. Самый высокий адаптивный ответ наблюдался в случае с фенильным производным бензотриазола, что совпадает с ранее полученными результатами, в исследованиях генотоксичности фенольных производных бензимидазола
.

Исследуя влияние типа воздействия гетероциклическими азолами на длину корней Allium fistulosum, мы обнаружили, что и в этом случае наблюдается адаптивный ответ, выражающийся в снижении токсичности при последующем проращивании тест-объекта в растворах высокой концентрацией (рис. 2). Однако достоверно влияла только самая низкая концентрация, независимо от структуры фрагмента гетероцикла (p<0,05).

Влияния разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на длину корней Allium fistulosum

Рисунок 2 - Влияния разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на длину корней Allium fistulosum

Ростовые процессы в значительной степени определяются митотической активностью клетках корневой меристемы. Исследование влияния типа воздействия на величину митотического индекса в клетках корневой меристемы представлено на рис. 3.
Влияния разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на величину митотического индекса в клетках корневой меристемы Allium fistulosum

Рисунок 3 - Влияния разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на величину митотического индекса в клетках корневой меристемы Allium fistulosum

Повышение величины митотического индекса может быть связано с возникновением блоков на определенных стадиях митоза, однако соединение 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазол резко ингибирует клеточные деления. Чтобы объяснить наблюдаемое явление, мы подсчитали относительную продолжительность фаз митоза. Результаты представлены на рис. 4.
Влияние разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на относительную продолжительность фаз митоза в клетках корневой меристемы Allium fistulosum

Рисунок 4 - Влияние разных типов воздействия соединений 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазола (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола (III) на относительную продолжительность фаз митоза в клетках корневой меристемы Allium fistulosum

Как видно из представленных результатов, все исследованные гетероциклические азолы в низких концентрациях вызывают блок на стадии анафазы, что совпадает с данными по фенольным производным бензимидазолов
.

Производные бензотриазола 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазол и 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазол в высокой концентрации также вызывают блок на стадии анафазы. В отличие от них производное триазола – 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазол настолько цитотоксично, что вызывает блок на стадии профазы. Предварительное воздействие низкими дозами метильных производных 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола и 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазола сохраняло митотический профиль, характерный для воздействия низкой концентрации. Фенильное производное II остается похожим на профиль воздействия высокой дозой. Полученные нами результаты совпадают с данными других исследователей, обнаруживших, что триазольные фунгициды при протравливании семян растений вызывали различные изменения, отражающихся на урожае

,
. К ним можно отнести ретардантное действие, обусловленное подавлением биосинтеза гиббереллина
, увеличение содержания хлорофилла
, повышение содержания белка в зерне
.

Было показано, что ципроконазол в концентрации 125 мкг/10 г семян, подавляет всхожесть и рост побегов яровой пшеницы и ячменя

. Проращивание семян Allium cepa в растворах тебуконазола в течение 48 ч ингибировало рост корней и уменьшало величину митотического индекса, увеличивало количество хромосомных и ядерных аберраций. Ингибирующее действие тебуконазола в концентрации 50–200 мкг/мл полностью подавляло митоз
. Снижение митотического индекса и увеличение хромосомных аберраций также наблюдали при действии 10 и 100 мкг/л тебуконазола на водный макрофит Bidens laevis в течение 14 дней
. Также обнаружили ингибирование роста общей длины (длина побега + длина корня): она снизилась у растений, подвергшихся воздействию 0,1, 10 и 100 мкг/л. Ретардантное действие триазолов и их производных обусловлено подавлением биосинтеза гиббереллина трех его звеньях уже на ранних стадиях развития растений
,
.

Проведённый ана-телофазный анализ при разных типах воздействия исследованными гетероциклическими азолами I-III, показан на рис. 5. Исследованные соединения индуцировали все типы аберрантных ана-телофаз

, что указывает на их способность вмешиваться в метаболизм нуклеиновых кислот.

Влияние разных типов воздействия соединениями 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазол (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазол (III) на частоту аберрантных ана-телофаз в клетках корневой меристемы Allium fistulosum

Рисунок 5 - Влияние разных типов воздействия соединениями 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазола (I), 2-(фенилсульфонил)-2H-бензотриазол (II), 2-(метилсульфонил)-2H-бензотриазол (III) на частоту аберрантных ана-телофаз в клетках корневой меристемы Allium fistulosum

Из представленных результатов видно, что исследованные соединения достоверно увеличивают число аберрантных ана-телофаз в клетках корневой меристемы Allium fistulosum (p<0,05). Используя непараметрический критерий Вилкоксона-Манна-Уитни, мы обнаружили, что для производного триазола – 1-(метилсульфонил)-1H-1,2,4-триазол выявлен адаптивный ответ, то есть предварительное воздействие этим соединением достоверно снижает число хромосомных аберраций после воздействия его высокой дозой. Это подтверждают ранее полученные результаты
. Однако мы не выявили достоверных различий между мутагенностью бензотриазольных производных и их влияния в избранном диапазоне концентраций на число индуцированных хромосомных аберраций.

4. Заключение

Анализируя полученные результаты, можно предположить, что сульфонильные производные триазола и бензотриазола, вмешиваясь в метаболизм растений, нарушают сложную регуляцию онтогенеза растущего тест-объекта и выступают и как клеточные яды, и как мутагены, снижая механизмы адаптациогенеза растений. Используя их в нетоксичных дозах, можно активировать процессы адаптациогенеза, но на физиологическом уровне вызывая адаптивный ответ. Однако на клеточном уровне адаптивного ответа не наблюдается.

Article metrics

Views:654
Downloads:5
Views
Total:
Views:654