Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ДЕЙСТВИЕ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ДЕЙСТВИЕ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ"



На правах рукописи

АТРОЩЕНКО Елена Эдуардовна

ДЕЙСТВИЕ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ

ОБРАБОТКИ СЕМЯН НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ

03.00.12 — Физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1997

'СО •: /'/ '">' / г '( "'

с/ /

7 '

• / //

Работа выполнена на кафедре ботаники Пензенского го сударственного педагогического университета

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор Хрянин В. Н.

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор Прусакова Л. Д.; кандидат биологических н>аук, доцент Тараканов И. Г.

Ведущее учреждение—Главный ботанический сад Р \Н

Защита диссертации состоится Р 1997 г

в часов на заседании диссертационного совета

Д 120 35 07 в Московской сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева

Адрес. 127550, Москва, Тимиря ¡евская ул , 49 Ученый совет ТСХА

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА

Автореферат разослан г ^¿¿^/б?*^ 1997 г

Ученый секретарь диссертационного совета

г у-,' А. С. Лосева

ЯВЩ№ШЕ

Актуальность теми. Важнейшей задачей физиологии растений является создание новых прогрессивных направлений биотехнологии и биоинженерии растений. Разработка интенсивных методов растениеводства, обеспечивающих высокую продуктивность и устойчивость растений, приобретает особую актуальность, в настоящее время увеличе-.

ние производства зерна сопровождается ростом энергетических затрат и неблагоприятным влиянием на окружающую среду [Мокроносов, 19883.

Исследование фотосинтетических процессов, закономерностей распределения ассимилятов, роста и развтития растений во взаимосвязи с условиями выращивания является основой для создания модели сорта и разработки методов регулирования физиологических процессов растений [Ничипорович,1955,1982; Мокроносов, Гавриленко,1992;.Курсанов,1976; Шевелуха, 1992]. Ведется поиск и изучение механизма действия новых регуляторов роста химической и физической природы, способствующих более полной реализации потенциальной продуктивности растений.

Для управления ростом и развитием используются физические воздействия: различные виды излучений, электромагнитные поля, давление и др. Физические стимуляторы отличаются технологичностью,, эффективностью, производительностью. Недостатками указанных, методов являются трудность дозировки и наличие' мутагенного эффекта. Поэтому в программу настоящего исследования входил поиск физического фактора, преимущества которого заключались бы в экологической безвредности, эффективности, отличной воспроизводимости результатов, технологичности и экономической целесообразности; выяснение биологического ответа на клеточном и организменном уровнях при различных режимах обработки и выбор на этой основе оптимальных способов воздействия.

Цель и задачи. Целью работы является выявление закономерностей изменения биохимических, морфофизиологических, цитогенетических особенностей и продуктивности растений в зависимости от параметров ; ударнее-волнового воздействия и внедрение в производство метода предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур для повышения их урожайности.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд задач: 1) проанализировать существующие способы физической стимуляции физиологических процессов растений; 2) создать схему ударно-волнового нагружения семян и выбрать методы расчета его параметров; 3) изучить детально влияние режимов обработки на биологические особенности растений различных видов, используя анатомические, фи-зиолого-биохимические и цитогенетические методы; установить за-

ЦЕН ТРАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА Моск. «ль.ч- .яддэмия

и..,. К. д , »«йг.рл^.ез; И но.

кономерности изменения физиологических особенностей растений в зависимости от интенсивности воздействия ударней волны, б) определить оптимальны» параметры воздействия импульсного давления на продуктивность растений и внедрить в промышленное производство способ предпосевной обработки семян

Защищаемые положения.

1. Схема предпосевной обработки семян импульсным давлением, режимы воздействия и способ их расчета

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволившие выявить изменения морфофизиологических особенностей растений в зависимости от параметров обработки

3. Основные закономерности биологических изменений и возможности управления физиологическими процессами растений с гомощью воздействия импульсного давления

4. Способ предпосевной обработки с»мян импульсным лав*ек»»ем для повышения продуктивности растений и рееудьтаты его внедрена в производство

Научная новизна. Рпервые гокаяана во-можность применения ударной волны, вызванной детонацией р~<рив-1птгго еошрстяп, дль активизации роста растений, на основании чего предложен метод предпосевной обработки семян. РазраСотпьы гришюты уграв^етт гсчм'Трами всз. действия и' выбрали интервлля д шлений, спосоОстгующих и^и^н^чию морфофизиологических особенностей ртстений Показано с^ррде.'ягчае? влияние давления в /дарней волне на фичпч.-оп' аеские грсчессы и гро-дуктивность растений.

Выявлено стимуЛир/шее действие импульсчсго давления bi ность ферментов, рот, развитие, интрнсирнсу t¡ 5отос1(нтс0*\ г ctí i í'A гречихи, пи^нипа, TCMoiiLs, сг>р1Л и др Ус и ю. что ir дикость изменения р-|дч t миологических г к.\.<чт' * й ст '.е."!"!!' 'ч далзе-ния имеет два максимума, полол^ци" к^тсрых яв.тг^тс" Di*,ncc:,"ij,t.'4-кым. Обнаружено с,Е-ственч^ е.*ичнир и v." v >-"o.*i ~псо

рагружения на гормональный Счзанс р-етений in,4vw !-.vc¡< ч pVn'b» фазы онтогенеза и, как слрдствир. на их норфо£ 4i'rr¡rv а:;'е особенности и продуктивность Показаны во м<-\грч°лг> w i ;<утсм и развитием растений и грогнсирсв-шич ус^мчевия w^octh сельскохозяйственных к-.лгтур

Комплексными исол дггпнлями b"v* yyr> -р _ -j

спектра физиологических грсцесссв. е сглгы с чем герег j . p.t

менение ударно-волнеагй обработки в сел^с-с'ч, ih:> гснетим-о-гЛ paso-

те, биотехнологии и т.д. На основании полученных результатов и литературных данных предложена гипотетическая модель механизма изменения физиологической активности и повышения продуктивности растений в результате обработки импульсным давлением.

Использование результатов исследования. На основе изучения изменения физиологических процессов растений, прошедших предпосевную ударно-волновую, обработку, разработана специальная технология. В совхозе "Тепличный" г.Пензы проведены производственные опыты по исследованию морфофизиологических особенностей и урожайности томатов и огурца защищенного грунта после обработки семян импульсным давлением, по результатам которых оформлен Протокол. Использование метода в производстве позволило получить фактический годовой экономический эффект 364 млн. 440 тыс. руб. Составлены Акт о внедрении и Расчет экономической эффективности по .научно-исследовательской работе. Получено решение о выдаче патента на способ обработки семян.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на I и II межвузовских научных конференциях по действию физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных растений (Орехово-Зуево, 1993 г.,1996 г.); на межвузовской научной конференции "Биология и экология в системе современного педагогического образования" (Санкт-Петербург,1994); на III Международной конференции "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1995); на ежегодном Международном симпозиуме по физико-химическим основам физиологии растений (Пенза, 1996), на научных советах совхоза "Тепличный" и научных конференциях ПГПУ им.В.Г.Белинского (Пенза, 1992-1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения; обзора литературы; экспериментальной части, включающей описание применявшихся методик, изложение и обсуждение результатов опытов; заключения; выводов; списка исподьзовайюй литературы (172 наименования, из них 26 зарубежных авторов); приложения. Работа включает 163 страницы машинописного текста, 40 рисунков, 17 таблиц.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Основные исследования проведены на растениях гречихи Fagopy-гш esculentum Moench. сорта Аромат, выращенных в условиях мелкоде-ляночного опыта на базе Пензенского ботанического сада имени И.И. Спрыгина. Также использовались растения овощных культур: томатов гибридов Fi Карлсон, Тортилла, Шаг'анэ и др. и огурца гибридов Fi

Маринда и НИИОХ 412, которые выращивались в совхозе "Тепличный" г. Пензы Предварительные исследования осуществлены на растениях озимой пшеницы Мироновская 808 Эксперименты проводились в 1991-96 г.

Перед посевом семена обрабатывали импульсным давлением, создаваемым прохождением ударной волны в водной среде Каждое семя испытывает объемное сжатие в течение 15-25 мксек Способ обработки семян запатентован САтрощенко и др.,19953. Давление на Фронте ударной волны рассчитывали по формуле [Пихтовников. Завьялова, 19643.

P-5330(Q1/3.R)1-13 , где

Р - давление, МПа

Q - масса заряда взрывчатого вещества, кг R - расстояние от центра взрыва до поверхности семян, м.

Для экспериментов использовали давления в диапазоне 5-40 МПа Всхожесть семян определяли по известным методикам Исследовали жизнеспособность семян по окрашиванию зародыша (метод Иванова) и влажность при высушивании через 2,24,48 часов после замачивания. Определяли вязкость цитоплапмы глазмолитическим методом в клетках семядолей зародыша гречихи через 48 часов после замачивания

Активность о-амилазы, кислых, нейтральных, щелочных гротеинаа и липаз в эндосперме опредляли по общепринятым методикам.

Изучали митозы корневых меристем проростков в возрасте 48-58 час. и 8 суток. По общепринятому методу проводили фиксацию, приготовление давленых препаратов и подсчет митотических индексов.

Измерение высоты растений позволило построить график логистической функции по эмпирическим данным и рассчитать скорость и ускорение роста как первую и вторую производные функции роста

Продуктивность фотосинтеза в полевых условиях, определяли методом половинок. Содержание хлсрофилдов определяли спектрофотометри-чески. Измеряли площадь листовой поверхности методом отпечатков.

Изучение физиологических особенностей корневых систем проводили по методике рН-теста (Воробьев,Егорова,15883 Приростки помещали на 0.1 мМ водный CaS04 в фитотрон с освещенностью 23000 эрг/см", продолжительностью светового дня 16 час .температурой 25°С, влажно стыо 801. Измеряли ацидофицирующую активность на 8. 10. 12 сутки в 0.1 Ш CaS04 и 1 мМ КС1 (рН 5 75-5.78) в течение 5 часов Оценивали объем корневой системы по методу Л А Сабинина и И И Ьолосоет

Для описания дснорно-акцепторных связей исследовали ■—'яерлднир воды и сухого вещества и развитие проводящей с истемы определяли количество и размеры проводящих элементов в анатомических срезах

стебля, черешков листьев и цветоносов в разные фазы онтогенеза.

Урожайность растений оценивали по специальным методикам. Кроме того, подсчитывали количество соцветий, невызревших и недоразвитых плодов и цветков. Для изучения наследования признаков исследовали продуктивность растений первого семенного поколения М1.

Для определения содержания основных фитогормонов в растениях лидоя гречихи фиксировали жидким азотом в фазу недифференцированного конуса нарастания (8 суток), цветения (50 суток) и плодоношения (80 суток), томатов - в фазу цветения. В состав образца входило Е0-40 проб, проводилось 3 параллельных определения. Гормоны экстрагировали из гомогената 802-ным водным этанолом. Экстракт концентрировали до водной фазы и промораживали. Вытяжки для определения содержания ИУК, АБК, Аз, подкисляли до рН 2.6, а для зеатина подщелачивали до рН 8.0 и центрифугировали. .Препараты очищали при помощи кислотно-щелочной перезкстракции и ТСХ. Содержание фитогормонов оп-• ределяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.'

2. ВЛИЯНИЕ УДАРНО - ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОХОЖДЕНИЕ РАСТЕНИЯМ РАЖИХ ЭТАПОВ ОНТОГЕНЕЗА Важным показателем является всхожести семян, которая изменяется закономерно у растений гречихи, томатов, огурца (рис.1).

—™— гречиха —*— томаты »■ огурец

Рис.1. Влияние ударно-волновой обработки на всхожесть семян Торможение прорастания и гибель семян вызывают тепловой шок (Чумикина, Арабова,19933 и т-радиация [Березина.19693. приводящие к

- б -

трофическим нарушениям. Всхожесть семян гречихи снижалась до 75-39% (в контроле 82-90Х) при действии давлений свыше 20 МПа, -томатов и огурца - свыше б МПа. Режимы, при которых всхожесть снижается не Солее чем на 10-15Х, пригодны для практического использования. ■

Изучено действие ударных волн на водопоглощение семян гречихи. .

Таблица 1.

Влажность семян гречихи при ударно-волновой обработке, X сыр.массы.

I--1-1-1-1-1-1

| Контроль | И МПа | 23 МПа I 29 МПа | 35 МПа | 47 МПа |

I-:—I-1-:—I-1-1-1

| 2 часа I |41.7±2.3|63.2,,*t2.4|48.0±1.7|43.2±1.1152.2"i2.5i24,9"",±1.5| | 24 часа I |58.7±2.6162.6 ±3.2|57.2±2.1|58.8±2.3|57.6 ±2.7|25.4"*"±1.6| | , 48 часов I ¡59.8*2.8|65.0 ±3.1|58.1i2.3|59.0i2.6|58.5 ±2.8|26.0""±1.6| i_i_i_i_:_i--1_;-1

В первые 2 часа замачивания водопоглощение ускорялось под действием давлений 11 и 35 МПа. Наличие двух максимумов на кривой указывало на существование двух механизмов воздействия ударных волн на водопоглощение семян. В первые часы замачивания преобладает "фи-вическое".поступление воды [Be*ley,Black, 19783. Увеличение водо-поглощения обусловлено развитием капиллярной структуры и конформа-ционными изменениями молекул под действием импульсных давлений. При «достижении влажности порядка 60Х [Обручева, Антипова,19951 поступление воды в ткани связано с возрастанием осмотического потенциала за счет накопления гидролизатов запасных веществ. Водопоглощение семян гречихи не изменялось по сравнению с контролем после 24-48 часов • замачивания. Это могло быть обеспечено генетическим контролем. Влажность семян, обработанных давлением 47 МПа, не увеличивалась после 2 часов 8амачивания, что связано с гибелью зародышей.

Вязкость цитоплазмы служит критерием повреждения клетки, бремя наступления плазмолиза в клетках зародыша гречихи возрастало с увеличением нагружения: давления 11-23 МПа способствовали повышению вязкости цитоплазмы на 20-32*. давления 26-35 МПа - на 39-59Х по сравнении с контролем. Степень и необратимость конформационных изменений молекул возрастали с повышением давления. Потеря жизнеспособности семян связана с агрегацией функциональных альбуминов и нарушением физиологических процессов ГАнгелова, Холодова, 1993].

Проведено исследование активности ферментов эццоеяерма семян.

Таблица 2.

Изменение активности гидролитических ферментов семян гречихи

|-1-1-1-1-1-i

| Контроль I 11 МПа I 17 МПа | 23 МПа | 26 Ша | 29 МПа

|-Н—----1-1---1---i

I ■ «>, Активность в-амилазы, ыг глюкоэы-г'^ч"1 |

|0.7710.03|1.21*10.06|1.60*10.07|2.23*10.1112.07*10.09|2.18*10.10| | Активность кислой протеинааы, усл.ед. |

J3.3 t 0.213.4 1 0.2|3.3 1 0.216.1" 1 0.3|8.5" 1 0.4|4.2* ± 0.3| | Активность нейтральной протеиназы, усл.ед. I

¡2.5 ± 0.212.5 1 Q.1I4.1* 1 0.2|3.9* 1 0.2|3.б 1 0.1|4.3* ± 0.2| | Активность щелочной протеиназы, усл.ед. ' |

|1.3 1 0.Ц1.4 ± 0.113.2* ± 0.213.4" .1 0.2|3.1* i 0.2|2.6* 1 0.1| | Активность кислой липазы. мМ-г"1-ч"1 |

|55.5±2.1 |120.5"±5.8|84.0"± 4.1|26.3*1 2.0142.8 ± 2.1|29.6"t 1.7| | Активность нейтральной липазы, мМ-г"1-ч*1 |

" |98.614.Б (104.515.1 |124.0*15.9|159.7*17.71111.3*15.4|90.1 1 4.5| | ' Активность щелочной липазы, vAI-r"1 -ч"1 |

176.413.6 |84.5 t 4.1|102.8*15.0|221.9*19.9|73.4 1 3.5|55.6*1 2.6|

1_I_|_L__'_I__I

Давления 11-23 Ша способствовали линейному возрастанию активности в-амилазы на 23-190Х по сравнению с контролем, а давления 26-35 МПа - на 169-134Z. Импульсное давление 23 МПа является точкой приближения к асимптоте на кривой зависимости.

Активность кислой протеиназы не изменялась по сравнению с контролем при воздействии ударных волн с давлениями 11-17 МПа. Давления 23-26 МПа способствовали возрастанию активности фермента на 85-156%, 29-35 МПа - на 27-45Z . по сравнению с контролем. Воздействие давления 11 МПа не влияло на активность нейтральной и щелочной протеиназ. При обработке давлениями 17-35 МПа активность нейтральной протеиназы увеличилась относительно контроля на 44-72Х. Активность щелочной протеиназы возросла при воздействии давлений 17-26 МПа на 138-161Z по сравнению с контролем. При воздействии давления 29 МПа активность фермента превышала контроль на 100Z.

Активность кислой липазы возросла на 114Z при воздействии давления 11 МПа, а под действием давлений свыше 23 Ша снизилась аа 58-23Х по сравнению с контролем. Выявлено увеличение активности нейтральной липазы на 6-25Х относительно контроля при обработке

давлениями 11-17 МПа. Фермент проявил наибольшую активность под действием давления 23 МПа (160 мМ/г-ч, в контроле - 99 мМ/г-ч), которая при повышении давления до 26-35 МПа составляла 111-90 мМ/г • ч. Активность щелочной липазы увеличилась при обработке давлениями 17 МПа на 35%, 20-23 МПа - на 192%. Под действием давлений 26-29 МПа был отмечен спад активности на 3-27% относительно, контроля.

. Обнаружена общебиологическая закономерность влияния импульсного давления на работу ферментов зерновок гречихи и озимой пшеницу.

Были определены митотические и фазовые индексы (МП и >ГИ) корневых меристем в динамике при обработке давлениями 11,23,29 МПа. В контроле максимальное значение МИ составляло 9,6%, среднее - 8,IX. . При воздействии давления 11 МПа интенсивность делений увеличилась в 2,6 раза, синхронность - на 50%. Давление 23 МПа не привело к изменению среднего МИ относительно контроля, синхронность делений увеличилась в 3.3 раза. После обработки давлением 29 МПа интенсивность митозов уменьшилась на 315, а синхронность возросла на 33% по срав-: нению с контролем. Нами не обнаружено аберраций хромосом. Через 8 суток МИ в опытах превышал контроль на 21; 156; 20% соответственно.

.Стрессовая реакция включает 3 стадии: тревоги, адаптации, истощения [Тарчевский.19961. Обработка семян гречихи давлениями 8-17 МПа способствовала быстрому переходу ко второй стадии. Адаптация заключалась'в стимуляции физиологических процессов. Действие давлений 20-35 МПа привело к активации г ид рол аз и задержке роста,' что могло быть связано с ингибированием синтеза белка абсцизоьой кислотой в условиях стресса. Преимущественно образуются шоког.ые белки, а не структурно-функциональные [Ангелова и др., 19931'. Адаптация связана с накоплением цитокининов и запуском синтетических процессов.

3. ЗАВИСИМОСТЬ АНАТОМО-МОГ4ШОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ ОТ ВЕЛИЧИНЫ УДАРНО-ВОЛНОВОГО 11АГРУТО1ИЯ Реализация фотосинтеза в растении определяется интеграцией Физиологических процессов и играет ведущую роль в продукционном процессе (Мокроносов, Гавриленко, 19921. Ударно-волновая обработка позволяет управлять фотоассимиляцией растений. Как видно из рис.2, в • фазу бутонизации давления 11-17 МПа и 29-35 МПа способстволи значительному увеличению интенсивности фотосинтеза. Возросло соотношение хлорофиллов а и Ь. Обнаружено закономерное изменение ассимилирующей (поверхности и урожайности растений. Более продуктивным является ' растение, использующее большее количество ассимилятов на образование фотосинтезирующих органов [Мокроносов,1981]. : ■

- Ь) -

35 МПо 29 МПа 23 МПа 17 МПа 11 МПа контроль

30 50 90

возраст растений, сут. Рис. г. Интенсивность фотосинтеза растений гречихи после

ударно - волновой обработки. В фазу начала формирования плодов интенсивность фотосинтеза не изменялась, но увеличилась площадь листьев, а в фазу созревания эти показатели уменьшились в диапазоне 11-23 МПа, что связано с завершением вегетации и разрушением хлорофиллов. Биомасса растений, обработанных импульсным давлением, увеличилась- в фазу плодоношения. Обнаружены физиологические изменения корневых систем растений.

Таблица 3.

Изменение ацидофицирующей активности корней проростков, мкМ/г-5ч

т

~г

~г

~г

~г

I Возраст |Контроль | 11 МПа

17 МПа

23 МПа

-1

29 МПа 1 -1

(__--(-1-1-1-

| 8 суток|2.95±0.10|6.42*±0.1413;65*±0.11|3.75*±0.01|0.96*±0.04| 110 суток| 1.25±0.0513.88*±0.1211.28 ±0.04|1.57*±0.05|0.35*±0.01| |12 суток|0.76±0.0113.20*±0. И11.15**0.0610.97*±0.0510.1б*±0.02|

Давление 11 МПа активировало ацидофицирующую активность корней на 120-320%, давление 17-23 МПа - на 24-27% по сравнению с контролем. Действие давлений 29-35 МПа ингибировало Н+-помпу в 3-3,5 раза.

Наблюдали увеличение объема корневой системы опытных растений под действием импульсного давления в фазы бутонизации, цветения и созревания плодов. . Корневая система обеспечивает поглощение воды, минеральных веществ и синтез физиологически активных соединений.

что соадает условия для опережающего роста и развития растений. Транспорт веществ связан с деятельностью проводящей системы.

Таблица 4.

Поперечное сечение проводящих тканей пучка гречихи, мкм2

1--------------т IВозраст ■ Контроль 11 № 23 МПа .. ------, 29 МПа (

1 1 КСИЛЕМА

I15 сут.

(стебель 4657 + 226 7282 + 348 7274 ♦ 351 6722 + 335 I

140 сут.

Iстебель 38375 + 1784 56871 * 2361 58383 4- 2405 73870 + 3552 (

(черешок 4654 + 205 12095 + 561 6035 * 29 10863 + 91)

|55 сут.

(стебель 91404 + 4384 79940' 1 3862 142258 6160 177042 7217|

(черешок 8587 + 428 10067 + 500 14778 4- 685 15127 4- 729 |

1 цветонос 1507 74 1742 + 82 2268 4- 103 2289 + 112 I

(90 сут.

I стебель 111092+ 5168 84294 + 4125 137328 4- 6207 147855 67361

|черешок 3246+ 143 3947 + 152 5031 236 6092 4- 278 (

Iцветонос 2812 + 137 2797 ♦ 120 2635 + 131 3621 + 179 |

1 * ФЛОЗМА

I40 сут. ' 1

Iстебель 2977 + 61 1905 + 92 1756 79 1B63 + 83 1

Iчерешок 20958 + 857 25621 t 963 26148 982 26461 4- 994 I

155 сут.

Iстебель 6175 4- 316 5426 ♦ 294 3582 4 174 6953 4- 312 I

|черешок 21410 4- 892 27588 £ 991 19549 +■ 846 23678 4- 934 I

I цветонос 4796 + 233 7602 + зва 10417 4- 460 16113 4- 629 I

|90 сут.

(стебель 6302 4- 359 9413 * 8735 f 351 6159 4- 349 I

1 черешок 10291 4- 481 13082 t 579 17489 4 7C2 12583 4 611 |

I цветонос ■ 7345 • ' 4- 352 10082 ♦ 1 481 123t>8 i 4 19368 t 4 638 |

Обнаружено огер«»жгжяаее р-чэвлтие ксилемы в стеблях опьтнкх лр" ростков гречихи. В начале цветения увеличилась плсиадь ксллемных элементов стебля и червяка листа 01 ытных рл-теини Гто обеспечило высокую оводненность листа, способств«пщуп гдлр<.>актиЕным движениям

устьиц. Выявлено увеличение размеров флоэмы черешка листа и цветоноса, указывающее на отток ассимилятов из листа в аттрагируюише органы - цветки. В фазу формирования плода площадь сосудов стебля возросла под действием давлении свыше 17 МПа. Мощность ксилемы цветоноса опытных растений соответствовала контролю. Развитие фло 1мы растений при ударно-волновой обработке обеспечивало более активный по сравнению с контролем отток веществ к генеративным органам.

Изменение процессов накопления и депонирования веществ после ударно-волновой обработки повлияло на процессы роста растений.

юоо 900 800

я ?0°

8 600

е 500

а '100

в 300 200 100 о

— контроль —т~ и мп» гз мш га мп»' Рис.3 Рост рас-пений гречихи после ударно-волновой обработки

При анализе роста с помощью математических методов было обнаружено. что давление 8 МПа не привело к изменению роста по сравнению с контролем, воздействии давлений 11-17 МПа способствовали увеличению еьсоты растений за счет существенного возрастания скорости и ускорения роста и сокращению продолжительности активного роста Указанные процессы усилились у растений, обработанных давлениями МП 4. сокращение герисда активного роста в 3 раза привело к тому, что высота сытннх и контра«них растений не различалась. Давления С6 35 МПч способствовали относительному снижении скорости и ускор* ни я роста и ртстяжению периоде активного роста. При этом высота растении ..наштрлько преьысила контроль.

Выявлено, что грел»ктипность растений разных видов изменяется нелинейно в зчеисимости от птраметров воздействия. Как видно из рус.4, у гречихи первый максимум соответствовал давлениям 11-20

1 г—1 1 ! 1 1

1 1 .хГГТ |

- —~ ¡/У г _

1 1 —

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90 дни вегетации

МПа, продуктивность превышала контроль на 14-27%. Второй максимум отмечен при воздействии давлений 26-35 МПа, продуктивность растений увеличилась на 57-303%. В области минимума (давление 23 МПа) продуктивность растений уменьшалась на 9-11% относительно контроля.

гречиха -у томаты ■( огурец

8 11 17 23 29 35 давление, МПа

Рис.4. Продуктивность растений после ударно-волнового воздействия Аналогично урожайность растений томатов, обработанных давлениями 5-8 и 23 МПа, превысила контроль соответственно на 20-31% и 102%. Урожайность растений огурца под действием давления 4 МПа возросла на .19%, 8-11 МПа - на 14-46%. Продуктивность растений повышалась главным образом за счет увеличения количества плодов.

4. РЕГУЛЯТОРНАЯ РОЛЬ ЭНДОГЕННЫХ ФИТ0Г0РМ0Н0В В ИЗМЕНЕНИИ МОР4О4ИЗИ0Л0ГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСТЕНИЙ, ПОСЛЕ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ Морфофиаиологические изменения обусловлены концентрацией фито-гормонов в тканях. Исследование совместного действия экзогенных фи-' тогормонов и импульсного давления на проростки озимой пшеницы предположительно показало изменение гормонального баланса опытных растений. Проведен анализ эндогенных фитогормонов в листовых пластинках растений гречихи и томатов, обработанных импульсным давлением. В результате исследований обнаружена . обшебиологическая закономерность изменения гормонального баланса гречихи и томатов под действием физического фактора. У проростков гречихи после обработки давлениями И и 29 МПа содержание ИУК не изменилось, а концентрации Аз уменьшились по сравнению с контролем. Воздействие давления 23

МПа способствовало снижению уровня ИУК и увеличению концентрации гиббереллина. Во всех вариантах опыта возросли концентрации зеатина и особенно АБК (на 250-280% по сравнению с контролем).

Таблица 5.

Содержание свободных фитогормонов в листьях среднего яруса растений гречихи, нг-г"1 сырого веса .

1 | Вариант ------ , ИУК Аз - Зеатин — ) АБК |

1 | 8 суток

I контроль 75,7 + 7,5 211, 5 +19,6 205,1+19,2 40,8 ± 3,9 |

111 МПа 71,4 + 6.9 134 б" +12,5 274,8+25,4 142,6" "+12,7 |

123 МПа 53,6 + 5,2 . 298 4 +24,7 236,7+23,1 155,7**±14,9 |

129 МПа 72,5 + 6,9 160 6 +16,2 226,2+20.9 142,8**^12,5 |

|35 суток

|контроль 48,3 + 4,2 160 3 +14,1 302,6+29,7 66,3 ± 5,9 |

111 МПа 64,9 + 6,5 120 2 +11,7 •235,9+22,6 15,3* *± 2,0 |

123 МПа 73,8"+ 6,9 64 Г "+ 6,8 300,0^28,4 38,2" ± 3.6 |

129 МПа 79,3"+ 7.5 184 3" "±17.5 297,4+27,3 30,6* ± 2,9 |

{55 суток

1 контроль 151,4 +13,2 134 .6 +13,2 151,7+13,7 23,6 ± 2,0 I

111 МПа 151,5 +13,4 48 .0" "± 5,0 168,1+16,5 30,7 + 2,7 |

123 МПа 193.0 +18,1 64 .1' + 6,1 205,1+20,1 23,6 + 2.1 |

|29 МПа 1 210,7 +19,6 83 .3" + 7,9 196,9+18,3 33,1 1 ± 3,2 | ■

В фазу цветения содержание ИУК увеличивалось линейно во всех вариантах опыта, а количество Аз снизилось только после обработки давлением 23 МПа. Содержание зеатина не изменилось, а концентрация АБК снизилась на 42-77% по сравнению с контролем. Морфофизиологи-ческие покаватели опытных растений соответствовали изменению гормонального баланса. При созревании плодов содержание ИУК увеличилось у растений, обработанных давлениями 23-29 МПа. Количество гиббереллина понизилось на 38-64%. Ударно-волновое нагружение способствовало повышению содержания зеатина на 11-35%. Концентрация АБК возросла у растений, обработанных давлениями 11 и 29 МПа на 30-40%, и не изменилась по сравнению с контролем при воздействии давления 23 МПа, чем, вероятно, обусловлено изменение продуктивности растений.

_. Установлена зависимость содержания основных свободных фитогормонов и морфофизиологических показателей растений от величины удар-

- - Í4 -

- но-волнобого воздействия. При прохождении растениями изученных нами фаз онтогенеза наблюдались изменения содержания всех фитогормонов, а наиболее значительные - абсцизоюй кислоты. Вероятно, АБК выполняет особые функции в формировании реакции растений на физическое воздействие. Кроме того, содержание АБК в растениях при различных параметр«« нагружения согласуется с наличием двух максимумов в повышении урожайности. Данная зависимость обусловлена тем, что АБК активизирует процесс плодообразования и ускоряет завершение вегетации tДерфлинг,1985; Кефели и др.,1У89}. Поэтому ведущая роль в формировании нелинейной зависимости продуктивности растений от величины воздействия может принадлежать абсцизо^ой кислоте.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР Для установления возможностей практического использования метода ударно-волновой обработки . были проведены опыты с растениями защищенного грунта. При подборе оптимапьных режимов обработки применяли давления 3-23 МПа. Признали наиболее эффективными давления 5-8 и 29 МПа для растений томатов и 4-5 Mía для растений огурца.

В зимне-весеннем обороте 1995 года использовали растения томатов гибрида Fi Карлсон и огурца гибрида Fi Маринда (учетная площадь по 460 м2). После обработки на ранних этапах онтогенеза наблюдалось развитие стадии тревоги, выражавшееся в некотором уменьшении всхожести семян (давление 5 МПа привело к уменьшению всхожести семян на 5-10Х, а давление 29 МПа - на 40-45% от контроля).. При переходе к стадии адаптации выявлена активизация Физиологических процессов растений. Увеличилось количества соцветий на растениях томатов и пестичных цветков на растениях огурца до 12?.. Прибавка урожая огурца составила 14-16Z. При обработке давлением 5 МПа урожайность томате^ увеличилась на 20Z, давлением 29 МПа - на 31?. Составлен Протокол исследования морфофизиологических особенностей и урожайности томатов и огурцов после обработки семян импульсным давлением.

В осеннем обороте 1995 года выращивали опытно-промышленные партии растений огурца гибрида Fj Маринда_ и томатов гибрида Fi Тор-тилла, обработанных давлением 5 МПа. Урожайность томатов повысилась на 18Х, огурцов - на 127. по сравнению с контролем, всхожесть пони-вилась на 10-15%. Признана эффективность метода удзрно-волновой обработки семян для повышения урожайности растений.

В продленном обороте 1996 года били высажены партии огурцов

гибрида Ра НИИОХ 416 и томатов гибрида ^ Шаганэ на общей площади 2 га. Урожайность растений томатов возросла на 172, огурцов - на 14X. Норма высева семян была увеличена. Расчет экономической эффективности с учетом затрат на изготовление оснастки, потери семян и стоимости обработки'показал, что фактический годовой экономический эффект составил " 364 млн. 440 тыс. руб. при выращивании 1 га^растений томатов и 1 га растений огурцов в условиях тепличного хозяйства.

Опыты продолжали в осеннем обороте 1996 г. Урожайность томатов и огурца повысилась соответствено на 12Х и 16Х. Для зимне-весеннего оборота 1997 г. обработаны семена для засева 9 га. Планируется полное внедрение способа в производство. Предполагаемый экономический эффект мероприятия на всей площади тепличного комбината (18 га) составит 2,9-3,2 млрд. руб. в год по ценам 1996 г.

. Поскольку ударно-волновое нагружение семян оказывает влияние на ряд цитогенетических и морфофизиологических показателей растений,' его можно использовать в различных технологических процессах.

Импульсное давление способствует увеличению водопоглощения семян и активности гидролитических ферментов до СЭ2Х. При подборе оптимальных режимов воздействия возможно эффективное использование данного методу в, солодоращении и в других отраслях биотехнологии.

При воздействуй- импульсного давления на семена изменяется интенсивность и синхронность клеточных делений зародыша. Преимущества данного метода перед известными Шестопалова и др.,19923 заключаются в большей эффективности и продолжительности последействия, которое сохраняется до 30 дней. Способ ударно-волнового воздействия может Сыть использован для предобработки при получении мутаций.

Для уничтожения амбарных вредителей используют взрыв смеси водорода и кислорода, создающий ударную волну. При хранении семян, обработанных импульсным давлением, в отличие от контрольных отмечалось отсутствие долгоносика. Ударно-волновая обработка может использоваться для борьбы с вредителями, что более технологично.

Помимо изменения урожайности наблюдалось возрастание количества листьев и биомассы надземной и подземной частей растений. Поэтому при оптимальном воздействии можно получать повышенные урожаи плодов, корнеплодов, клубней, увеличивав укос трав и т.д.

Важно отметить низкую себестоимость метода ударно-волнового нагружения семян. При подсчете фактического годового экономического

■ эффекта ударно-волновой обработки семян томатов и огурца установи-

■ ли. что затраты на осуществление мероприятий составили 5160

тыс.руб., а стоимостная оценка результатов 369500 тыс.руб., т.е. затраты составляли до 1.5Х от получаемого экономического эффекта.

Разработан метод физического воздействия, отличающийся экологической безвредностью, эффективностью, широким спектром физиологического действия и экономической целесообразностью, а также высокой степенью воспроизводимости технологических параметров (амплитуды и скорости прохождения ударной волны), которые легко и точно регулируются массой заряда и расстоянием между его центром и поверхностью материала. Физиологические изменения рассмотрены на растениях разных видов в широком диапазоне импульсных давлений.

Обнаружено влияние ударно-волновой обработки на протекание ранних этапов онтогенеза. Изменение структуры биополимеров, возникающее при прохождении ударной волны, а также появление микротрещин способствовали увеличению водопоглощения семян. Повышение активности гидролитических ферментов семян возможно связано с уровнем овод-ненности семян [Обручева и др.,1988]. Изменение "запроса" аттраги-рующего центра также влияет на активность ферментов, т.к. в процессе роста возникает потребность клеток в белке, образующемся из продуктов гидролиза и окисления запасных питательных веществ. При воздействии импульсного давления в проростках было обнаружено высокое содержание АБК, типичное для стрессовой реакции IHong et al.,1991; Neumann et al.,19891. Гормон стимулирует синтез РНКазы или подавляет активность РНК-полимеразы; результатом является замедление синтеза белка [Дерфлинг,19851. Это способствует усилению запроса атт-рагирующего центра, который стимулирует начальное звено процесса — гидролиз запасных питательных веществ, что было обнаружено в опытах. Нарушение синтеза белка, видимо, способствовало снижению всхожести семян гречихи при воздействии давлений свыше 17 МПа. Давления ниже 17 МПа не оказывали ингибирующего действия. Давления 41-47 МПа приводили к полной гибели семян. Аналогичные результаты получены на растениях томатов, огурца и пшеницы. Переход к адаптации связан с тем, что при нарушении синтеза РНК происходит накопление предшественника нуклеотидов аденина, из которого могут образовываться цитокинины СДерфлинг, 19951. Обнаружено увеличение содержания зеа-тина у проростков после обработки импульсным давлением. Цитокинины активируют протеинкиназу, связанную с РНК-полимеразой I ГСеливанки-на и др.,19881 и способствуют восстановлению синтеза белка. Выживание проростков зависит от продолжительности прерывания трансляции.

Изменение активности меристем подтвердило изложенный механизм стрессовой реакции растении. Давление 11 МПа стимулировало деления через 2 суток, 23 МПа - через 8 суток, а давление 29 МПа способствовало временному "ростовому покою" и последующему восстановлению и стимулированию делений Указанный эффект характерен для стрессовой реакции рчстении [Веселовскии и др.,1993). „

Дальнейшее необратимое развитие стрессовой реакции связано с изменением регуляторных систем растении, в частности, концентрации фитогормочов в клетках [Ковалев,19^51 После воадеиствия стрессора растения были пометены в оптимальные условия. Поэтому развитие стадии адаптации з-включалось в активизации физиологических процессов

Фогосинтетическая функция представляет основу энергетического и пластического обмена мочлои системой рег/ляции Фичиологичрских про есссв является дснорно-акцепторная система Шокроносов, Гаври-ленко,1С|С)21 Порышрнир интенсивности фотосинтеза и увеличение асси-мшшруютеи поверхности является следствием активации акцепторных ген под действием имгьльсного давления и создает предпосылки для увеличения продуктивности растении Активи" .ля фотоас.симиляции способствует адаптшии растений [Третьяков и др ,19943. В меристемах питательные вещества потребляются на рост и дыхание, в запасающих органах - на рост и отложение в запас. ;гги процессы являются сспрчженными и приводят к накоплению биомассы СКурсансв,19761.

Рост и пред/ктивность рче-ении являются интегральными показателями физиологических процессов и зависят от многих чнйо- и экзогенных факторов Изменение продуктивности растений, обработанных ударными волнами, соответствует ростовым процессам, что дает возможность прогнозирования /рожаиности растений Шевелуха, 199?!.

Гипотетическая модель реакции растении на фиеическое воздействие гр^дставлент на рис.5 Прохождение"ударней волны создает объемное сжатие в течение 15-25 мкеек, воздействующее на мембраны и макромолекулы клет~к тгсодыш"И Такс физическое возмущение не встр° ,т>тся в природе, гоэтему реакция растений является неспецифи-чрскоЛ Важным механизмом адаптации растении является изменение метаболизма ."игилсв и увеличение текучести мембрнн СТарчевский,19461. Мембраннал рргляи-ч включат транспорт предшественников нуклеиновых кислот и белков, освобождение регуляторных белков, осуществление иоччых и кисло-н-^хелсчных сдвигов [Полевой. 1991К Изменение процессов до-ечия .«'1?1";ит от состояния цитоплазмы Ядерно-аитоплаз-матические отношения рргулир,-ют развитие на протяжении онтогенеза.

Рис.5. Гипотетическая модель физиологических изменений растений после обработки импульсным давлением.

Включение мембранной и генетической регуляции способствует изменению синтеза фитогормонов, влияющих в свою очередь на функцнони- • рование ядерного аппарата и способствующих активизации физиологических процессов. Это приводит к более эффективному перераспределению веществ в растениях и повышению их продуктивности.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод предпосевной обработки семян импульсным давлением, способствующий активизации ряда физиологических процес- " сов. Предложена технология, позволяющая дозировать параметры воздействия с высокой точностью. Установлено преимущественное влияние амплитуды ударной волны в интервале давлений 3-35 МПа на физиологические процессы растений.

*2. Выявлены, зависимости увеличения скорости поглощения воды при воздействии давлений 11-20 и 31-35 МПа и повышения вязкости цитоплазмы в интервале давлений 11-35 МПа. Воздействие импульсного давления привело к возрастанию активности гидролаз на сЗ - 192%. Ингибирование процессов биосинтеза под влиянием высокого содержания АБК способствовало понижению всхожести семян до 25-75% от контроля при обработке давлениями свыше 23 МПа.

3. Обнаружено, что физическое воздействие приводит к синхронизации клеточных делений корневых меристем проростков гречихи. на 33-230% и повышению их интенсивности причем давление 11 МПа способствует увеличению митотических индексов на 160% через двое суток. а давления 23 и 29 МПа - на 1567, и 21% через 8 суток, следствием чего явилось увеличение биомассы корня на 39-79%. Ацидофици-рующая активность корней проростков гречихи увеличивалась при воздействии давления 11 МПа в 2,2-4,2 раза, 17-23 МПа - на 24-27%, а

давления 29-35 МПа снижали поглотительную активность корней проростков в 3-3,5 раза.

4. Комплексными исследованиями установлены зависимости процессов фотосинтеза, транспорта, накопления ассимилятов и роста растений гречихи от амплитуды ударной волны. Обнаружено, что при возрастании давления усиливается приток воды в листья, продуктивность фотосинтеза в фазу бутонизации увеличивается на 60-1432, активизируется транспорт веществ из листьев в цветки, плоды, а также в корни.

5. Установлено, что зависимость продуктивности растений от величины физического воздействия, имеет два максимума, соответствующих давлениям 11-20 и 29-35 МПа для растений гречихи, 5-8 И 23 МПа для томатов, 4-5 и 23 МПа для огурца. Продуктивность растений в области первого максимума возрастает на 14-312, ■ второго максимума - на 19-303%. Показано преимущественное значение увеличения количества плодов в повышении продуктивности растений.

6. При изучении изменения гормонального баланса растений гречихи и томатов в зависимости от величины давления обнаружено значи- ■ тельное повышение уровня АБК в фазы прорастание, и созревания плодов. В первом случае влияние АБК на рост растений зависело от содержания других гормонов, в частности, ееатина. Во втором случае повышение уровня.абсцизовой кислоты активизировало процесс созревания плодов и ускоряло завершение вегетации.

7. На основе выявленной взаимосвязи предложена гипотетическая модель механизма ответной реакции растений на Физическое возмущение. Кратковременное объемное сжатие в ударной волне воздействует

. на мембраны и макромолекулы, что способствует последовательному . включению механизмов мембранной, генетической, гормональной, трофической регуляции, приводящему к морфофизиологическим изменениям и . увеличению продуктивности растений. •

8. Метод ударно-волновой обработки семян внедрен в производство овощей защищенного грунта, что позволяет увеличить продуктивность томатов и огурцов на 14-20%. Получено решение о выдаче патента на способ предпосевной обработки семян 1Атрощенко и др., 19951. При выращивании растений из семян, прошедших обработку, на плошади 2 га получен фактический годовой экономический эффект 364 млн.440 тыс.руб.(1996 год).

По теме диссертации опубликованы следующие работ: 1. Атрощенкс Е.Э., Хрянин В.Н., Атрощенко Э.С. Влияние импульсного давления на рост и развитие некоторых видов растений // Влияние

физич.и хим.факторов на рост и развитие с.-х.растений: Тез.докл. межвуз. науч. конф. (Орехово-Зуево, апрель' 1993).-ОЗИМ. -Орехово-Зуево, 1993.- С. 16. .

2. Хрянин В.Н..Атрощенко Е.Э. Влияние импульсного давления на водо-поглощение и активность о-амилазы зерновок озимой пшеницы //Биология и экология в системе соврем.пед.образовния:Тез.докл.межвуз. науч.-практ.конф.(С.-П.,дек.1994).-С.-П.-Ставрополь, 1994.-С.25.

3. Атрощенко Е.Э., Хрянин В.Н. Совместное действие фитогормонов и импульсного давления на морфологические особенности озимой пше-ницы//Регуляторы роста и развития растений:Тез.докл.III междунар. конф.(Москва, 27-29 июня 1995 г.).- М.,1995.- С.46.

4. Атрощенко Э.С..Хрянин В.Н..Атрощенко Е.Э.и др. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №95111836/13(020614). Приоритет от 11^07.95. " ■ 4

Б. Atroshchenko Е.Е., Khryanin V.N. The Influence of Impulse Pressure to the Activity of H+-pumps and Yield of Buckwheat //Physi-cal-Chem. Basis of Plant Physiol.: Abstracts of Ann.symp. (Penza, Feb.5-9, 1996).- Pushchino, 1996,- P.62.

6. Атрощенко Е.Э., Хрянин В.Н. Влияние импульсного давления на митозы в корневых меристемах проростков гречихи // Влияние физич.и хим.факторов на рост и развитие с.-х.культур; Тез.докл.межвуз. науч.конф.(0рехово-3уево,алр.199б г).-Орехово-Зуево,1996.-С.30.

7. Атрощенко Е.Э., Хрянин В.Н., Барсукова В.Г. Действие импульсного давления на биологические особенности томатов и огурцов защищенного грунта // там же.- С.31.

8. Хрянин В.Н., Атрощенко Е.Э. Действие ударно-волнового нагружения на рост и продуктивность растений гречихи//Краеведч.исследования и проблема биол. образования: Тез.докл.юбилейного сб.(Пенза, май' 1996 г).- Пенза.1996.- С.76.

9. Хрянин В.Н..Крюков A.M..Атрощенко Е.Э. Влияние импульсного давления на активность ферментов и ростовые процессы проростков озимой пшеницы // там же.- С.77.

10.Атрощенко Е.Э. .Хрянин В.Н. Изменение фотосинтетической активности растений гречихи после обработки импульсным давлением // Тез. докл.1 Всеросс.конф.фотобиологов. - Пушлно, 1996.

11.Khryanln V.N., Atroshchenko Ye.Е. Impulse Pressure As a Factor of Change of Productivity and Take Up Activity of Roots of Buckwheat// Internat. Symp. on Stress and Inorganic Nitrogen Assimilation & 2nd Fohs Blostress Symp.: Abstracts (Sept.1996).- M.,1996;

Об"-ем \ Ч, п т

Зака» 187

Тираж 100

Типография Издатечьства ИСХА 127550 Чосква, Тимирязевская V.! 44