Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ ПЕРЕНОСА МЕЧЕНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ ПЕРЕНОСА МЕЧЕНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

•~тт — #\ О СЗ *2 Q На правах рукописи

Маргарита Семеновна ПРОКОФЬЕВА

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ ПЕРЕНОСА МЕЧЕНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ

Спеиальность 03.00.02— биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА —

1971

Диссертационная работа выполнена на кафедре прикладной атомной физики и радиохимии Московской ордена Ленина и ордена Трудового КрасногоЗнамеии сельскохозяйственной академии им. К, А. Тимирязева.

Научный руководитель — профессор доктор химических наук В. В. Рачинский.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук старший научный сотрудник В. П. Иванов, кандидат биологических наук доцент М. М. Гукова.

Ведущее предприятие —Институт физиологии растений АН УССР, отдел биофизики и радиобиологии.

Автореферат разослан «^6. » Л8С/ар*. . 197.5*.г.

Защита состоится на заседании Совета факультета агрохимии и почвоведения ТСХА с / / „ /Ь&4/2**г* 19т4" г. чаасов.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА (ул Тимирязевская, 49).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать но адресу: 125008, Москва А-8, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет ТСХА. к'- •'•*>

Ученый секретарь ТСХА

доцент ,Ф. А. Девоп, •?:':,.

ВВЕДЕНИЕ

Атомная и ядерная техника приобретают все большее и большее значение в развитии биологических наук. Разнообразные методы атомной и ядерной спектроскопии, электронная и протонная, микроскопия, электронноструктурный и рентгеноструктурный .анализ, изотопноиндикаторная техника— вот далеко не полный перечень новых .технических и экспериментальных средств, которые получили биологи в атомный век. " .

Уже вскоре после того, как появиласьвозможность использования изотопов в; биологических исследованиях, были сделаны попытки применить метод изотопных индикаторов в изучении транспорта, веществ в растениях, Появилась реальная возможность прямого прослеживания движения и распределения веществ в растениях. Была обнаружена исключительно большая мобильность веществ в растениях.. Однако точное измерение скоростей-переноса веществ в растениях оказалось непростой задачей, настолько непростой, что эта задача остается актуальной в методическом и теоретическом отношении и по настоящее время. Ранее оценка скоростей переноса веществ производилась, как правило, качественно или полуколичественно. Физиологов растений удовлетворяло знание порядка величин времени и скоростей переноса. При физическом, точнее биофизическом подходе, необходима разработка теоретических предпосылок и методик« ** точного измерения этих величин. -

. Транспорт, перенос веществ в растениях —это многообразная по своим аспектам биологическая проблема. Она включает исследование «топографии» и морфологии переноса (перенос веществ через различныеЛорганы и ткани), физических и химических механизмов переноса, физиологических механизмов регуляции переноса, изыскание путей управления этим сложным- биологическим явлением. Среди биофизических аспектов проблемы переноса веществ в растениях можно выделить задачу исследования механики переноса — кинематики и динамики как физических явлений.-Кинематика изу-

Шсзтр 3гша;Я;г.у-п-Юр5лВ0ТеКа *

Мосыскжй о, д.::;::.;:.-(У1-,Х01. ::::л п.-:. й ТттрТмд

чает движение вне зависимости от тех причин, которые вызывают это движение. Динамика изучает движение в связи с действующими причинами, которые вызывают и предопределяют движение.

Данная диссертационная работа посвящена дальнейшему развитию радиоиндикаторных, радиометрических методов исследования кинематики переноса веществ в растениях. В качестве кинематических величин взяты две основные физические величины: время переноса (/) и скорость переноса (V). Время переноса, как правило, определяется в тех случаях, когда трудно или невозможно точно определить расстояние или путь перемещения вещества. Скорость переноса (V—S/t), как правило, величина переменная, т. е. в действительности вещества в растении перемещаются неравномерно (V Фсот$. При детальном исследовании кинематики необходимо было бы следить за скоростью перемещения вещества во времени (V = ф-0). Однако это будет задачей будущих экспериментальных разработок. В настоящее время немалые трудности возникают даже при определении средних скоростей переноса (V). , Г

Данная работа выполнена по плану научно-исследовательских работ кафедры прикладной атомной физики и радиохимии ТСХА по теме «Изучение закономерностей переноса веществ в почвах и растениях изотопными методами» (номер государственной регистрации >71 036 633, ВНТинформцентр, дата регистрации темы 22 мая 1971 г.).

В качестве исходной технической и методической основы работы явились предварительные научно-методические ., и опытно-конструкторские разработки ,по созданию комплекса записывающих одноканальных и регистрирующих многоканальных автоматических радиометров (ЗЛР и РАР), выпол--" иенные сотрудниками физико-технической группы кафедры.

В качестве исходной теоретической основы при постановке экспериментов и интерпретации их результатов использована общая теория динамики переноса веществ в гетерогенных системах. Ранее эта теория была успешно использована при моделировании процессов переноса веществ в почвогрун-тах. В данной работе общая динамика переноса. веществ в. гетерогенных системах впервые была использована для моделирования переноса минеральных элементов в растениях. Принимается физическая аналогия между переносом веществ по проводящей системе растения и процессом переноса несор-бирующихся и сорбирующихся веществ.в пористых средах. Соответственно для описании процесса переноса.веществ в растениях используются закономерности динамики переноса веществ в гетерогенных системах — закономерности динамики сорбции и хроматографии.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР;

Используя метод физического моделирования, метод физической абстракции, вместе с тем в процессе работы принимали во внимание-все имеющиеся литературные сведения о биологии транспорта веществ в растениях. В литературном обзоре эти сведения изложены с максимально возможными подробностями. ,. .,. "' ' '

В первом..разделе литературного обзора дана характеристика корневой системы как поглощающего, органа. Приведены современные данные об анатомическом строении корневой системы, ее тканей,-о механизме поступления и переноса ионов в корнях, о поступлении питательных веществ в онтогенезе растений, о зависимости поступления веществ от уело- • = вий внешней.среды. Рассмотрена ритмическая динамика фи- • • зиологнческой деятельности корневой системы. .

Во втором'разделе литературного обзора освещено современное состояние проблемы исследования транспорта веществ , в растениях. Особое внимание уделено рассмотрению литературных данных о методах определения скоростей переноса веществ в растениях и о результатах определения этой величины различными авторами; /'

Изучая литературные материалы, мы не нашли работ, в которых бы определялось время выноса элементов питания в надземную- часть растений методом радиометрического контроля пасоки. До начала наших, работ ъ литературе* отсутствовали также "данные о-применении автоматических радиометров и физической, сорбционно-динамической модели для определения скорости переноса веществ по стеблю растений. Позднее автоматические-радиометры :оригинальной конструкции были использованы в'работах В. С. Семина и •Ю. И. Некрасова (19172) для определения скорости переноса меченых элементов в1 древесных'растениях и виноградной . лозе. ; -;•»-: •' .• ' •.' •••" —."

>

•". '........,;'.' ..-.,- ЗАДАЧИ,'.'' __• -

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ, ПЛАН И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе,были, поставлены две основные конкретные задачи- • ...-, .' ; •';"'

— разработать-и применить радиометрическую методику определения времени, в течение которого меченые элементы минерального питания переносятся;через корни растения в надземную часть растений;

— разработать и применить радиометрические методики определения скоростей переноса меченых элементов по стеблю растения. ;. • ; - .

В качестве исследуемых минеральных элементов ,_были взяты фосфор, сера, калин, кальций." Соответственно использовали радиоактивные изотопы 32Р, 35Б; 42К, 4ЕСа.

Дано краткое изложение основных положений общей теории динамики переноса веществ в гетерогенных системах. На основе метода физического моделирования рассматривается абстрактная физическая картина поступления вещества из внешней среды в корни растения и переноса его в растение.. Вещество, питательный элемент в молекулярной или ионной форме, через механизм диффузии, сорбции и активного внутриклеточного метаболического переноса поступает в подвижную жидкую фазу проводящей системы каналов корня, а затем стебля и других органов.

Можно предполагать, что в силу разветвленное™ корневой системы, различной длины корневых волосков и корней, различных скоростей диффузии, сорбции, внутриклеточного транспорта в различных тканях корней, переноса по проводящим тканям корня фронт выноса вещества из корневой системы в надземную часть будет пространственно (в направлении движения подвижной фазы) размытым. Однако степень этого размытия предсказать теоретически невозможно из-за сложности реального биологического процесса транспорта. Теория предсказывает, что размытие фронта будет продолжаться в процессе движения вещества по всем проводящим каналам и путям растения. В процессе движения вещества через проводящие каналы оно будет межфазно распределяться между неподвижными тканями стенок каналов и подвижной фазой. Это и есть процесс динамики сорбции или динамики гетерогенного распределения. Если вещество будет сорбироваться неподвижной фазой (клетками тканей), то согласно теории динамики сорбции средняя * скорость движения сорбируемого вещества будет меньше средней скорости движения* подвижной фазы У< и, где У — средняя скорость движения сорбируемрго вещества, и — средняя скорость потока подвижной фазы. В зависимости от характера распределения между подвижной и неподвижной фазой (распределительного отношения /г) движение фронта каждого вещества будет осуществляться со своей характеристической скоростью.

Проверка основных теоретических предсказаний, вытекающих из принятой физической модели переноса веществ в растениях, входила в теоретическую задачу исследования.

Нами разрабатывались радиоиндикаторные, радиометрические . методики определения кинематических величин с не-

пользованием двух режимов динамики сорбции меченых веЛ * ществ: фронтальный и элютивный.; ;, :

••• -В'первом режиме растение переносили с питательной среды с немеченым элементом "на среду'с темлже меченым элементом. Далее осуществлялся радиометрический контроль за . выносом меченого : элемента в надземную часть и за движением его по стеблю растения. ""•"

-Во втором режиме в стебель инъецировалась малая порция меченого элемента и далее проводили'радиометрическое слежение за движением меченого элемента. Согласно теории элютивной динамики "сорбции ожидалось, что вдоль стебля растения должна-распространяться с определенной .средней скоростью элютивная волна меченого элемента—«меченая волна», ',''•- /* ':**>*' .'. 'Ч-' • ..; '•'

♦Для определения/'времени выноса меченого' элемента в надземную часть растения использовали способ собирания и • определения активности; проб пасоки. Для определения скорости переноса'Меченых'элементов по стеблю растения использовали записывающие и регистрирующие автоматические радиометры, позволяющие осуществить Г радиометрический контроль за поступлением* меченых элементов в заданный

пункт стебля. "! -л*......-" - ..." >Лу„:;:!....

«* " В качестве подопытных растений использовали растения подсолнечника (Саратовский-10 и Волгарь) и фасоли (сорта Сакса). Методика выращивания растений-в водной культуре ' при искусственном освещении лампами ЛДЦ-30. В назначенное время (в зависимости от возраста) растения"переводили со среды, содержащей контролируемый немеченый элемент, на среду с тем же, но меченым элементом. Индикаторные до ,зы' радиоактивных изотопов составляли 1—2 мкюри на литр питательного раствора/. \". " " • —•

* Радиометрический метод определения, времени переноса меченых элементов через корневую ситему, А: основанный на регистрации появления меченого элемента

-"• в пасоке ' .

Сущность метода-г-измерение времени* от „момента контакта питательного.раствора, содержащего меченый элемент, с корневой системой до момента появления* меченого элемента в пасоке. :. .X"". , '". • • '> •

Пасоку собирали путем накладываниякружков бумаги на срез стебля (на уровне около 4 см от/корневой шейки). Кружки снимали черезлзаданные интервалы времени. После высушивания их измеряли активность пасоки, собранной на кружок за заданное время. По результатам измерений строили кинетические кривые '4>Г(Г), где Л — активность* пасоки в

имп/100 сек. Измерения активности производили счетчиком

Т-25-БФЛ на радиометре ПП-8. ....."'. ,

Радиометрический метод определения времени переноса меченых элементов через корневую систему, основанный на регистрации появления меченого элемента в пасоке, в принципе должен быть самым чувствительным методом для решения поставленной задачи. Радиоиндикатор регистрируется непосредственно в выносимой из корня жидкой фазе. Однако этот метод имеет недостаток — движущей силой будет только корневое давление. В интактных растениях, кроме корневого давления, скорость выноса веществ из корневой системы будет зависеть от скорости транспирации. Рассматриваемый метод дает верхний предел искомой величины.

В первой серии опытов по определению времени появления меченого фосфора в пасоке,подсолнечника варьировали следующие факторы: индикаторные дозы и возраст растений. Вариация индикаторных доз 0,1—1 мкюри/л. Возраст.растений подсолнечника— в интервале Л 2—47 дней. -"

Подробно рассмотрены и сопоставлены различные способы оценки искомого времени по кинетическим данным — А ==/(/). Использованы три способа. Первый способ (табличный) — по таблице Л=/({) устанавливали начало интервала, в котором регистрируется статистически достоверно появление радиоактивного индикатора в пасоке. Второй лспособ (графический) — по кривой Л =/(I), экстраполированной до пересечения с осью времени, определяли время, соответствующее условно статистически достоверной активности.; Третий способ (графический) — определяли время, соответствующее зкстраполяционной точке на графике Л=/(1). Как правило, ход кривых позволял осуществить линейную экстраполяцию. В отдельных случаях наблюдался волнообразный ход кривых. Установлено, что первые два способа, как правило, дают более высокие значения искомого времени, чем экстраполя-ционный способ. В пределах индикаторных доз 102-М03 мккюри/л зависимость оценки искомой величины от индикаторной дозы проявляется только для растений в раннем возрасте (12 дней). Для других возрастов растений в пределах погрешностей измерения указанная .зависимость не наблюдается.. Это обусловлено тем, что фронт меченого фосфора при выходе в надземную часть имеет, как правило, линейную, а не логарифмическую форму, т. е. он имеет более резкую форму, чем ожидалось. •

Анализ зависимости.времени выноса меченого фосфора в пасоку показал, что наблюдается лишь слабовыраженная тенденция увеличения искомого времени от возраста. Наблюдается также заметное колебание этого времени для различных воЪрастов растений. Приближенно искомая зависимость

может быть аппроксимирована линейным уравнением /=а+«7\ дге Т — возраст растений (сутки), а и в —эмпирические параметры, а=2ч-3 мин, 8==0,'1-М),2 мин/сутки.»В пределах возраста подсолнечника 12-Т-47 дней в среднем/ увеличивается от 5 до 10 минут: Приближенное постоянство" времени выноса меченого фосфора в надземную часть подсолнечника — это интересный факт,4 характеризующий физиологические особенности процесса потребления фосфора в онтогенезе растении подсолнечника. Прирост биомассы корней в указанно1,м8 возрастном интервале происходил по'зависимости т = 0,737*1,8У где т*—сухая масса в мг, 7" — возраст в сутках. Видимо, рост корневой системы-и ее функциональная деятельность обеспечивают как бы «своевременность доставки «фосфора в надземные органы растений, несмотря "на увеличение пути переноса. Аналогичные результаты были получены Л опытах с растениями фасоли. В возрастном интервале 10—37 дней время приблизительно: постоянно и составляет .примерно' 10—20 минут.

В опытах по. "определению времени появления меченой серы в пасокулподсолнечника" • кинетические кривые A=f(t) в раннем возрасте имели форму монотонного возрастания активности со временем. Однако с увеличением возраста кривые выноса гА—/(^ приобретали все более волнообразную, импульсную, ритмическую форму. Установлено, что с увеличением возраста подсолнечника время«вы*носа меченой серы в надземную-часть растения уменьшается от 3-1-5 минут (14 дней) до времени меньше 1 минуты (35дней). Время процесса может,служить мерой скорости процесса. В целом результаты определения искомого времени показывают, что меченая сера подается в надземную часть с большей скоростью, чем фосфор. • ;--Г-~ -'- • •'•.-,•

В опытах с фасолью' установлено,5 что искомое время появления меченой серы в пасоке составляет примерно 5—10 минут, т. е. немного меньше, чем меченого фосфора.. • • *

Как,и в-предыдущих опытах, в опытах с меченым калием для растений подсолнечника наблюдались линейные и импульсные формы кинетических кривых А=/0).

Отмечено,-что эти разные формы :кинетики поступления меченого элемента» в пасоку могут наблюдаться у одинаково подготовленных к, опыту растений-одного и того же возраста, т. е. в биологических повторностях. Это есть какая-то внутренняя индивидуальная характеристика каждого растения. * ' • - ,_. _ ♦,-

Установлено, чтоГЬ начальные фазы онтогенеза подсолнечника время появления меченого калия в пасоке составляет 10—15 минут, а в более поздние фазы 25—30 минут, т. е. так же, как в опытах с меченым фосфором, примерно удваивается. Время выноса меченого калия в надземную часть,

подсолнечника оказалось примерно в 2 раза больше, чем меченого фосфора, и намного больше, чем меченой серы. Следовательно, калий медленнее переносится через корневую систему подсолнечника, чем фосфор и сера, . •' . ,

У растений фасоли возрастная зависимость поступления калия в надземную часть растений выражена более сильно, чем для, фосфора. В возрасте 14 дней искомое время составляло менее 5 минут, а в возрасте 39 дней оно увеличилось до 30 минут. На начальных фазах онтогенеза подсолнечника искомое время появления меченого кальция составляло менее 10 минут, однако с возрастом оно резко увеличивается и на заключительных фазах онтогенеза оно достигает 150—170 минут.

В опытах с мечеными катионами наблюдаются довольно резкие (менее размытые) фронты выхода меченых элементов в пасоку. ,.

Возрастная зависимость времени выноса меченого кальция в.пасоку фасоли сходна с возрастной зависимостью в аналогичных опытах с подсолнечником. Искомое время возрастает от 5 до 70 минут.

На основании полученных результатов можно утверждать, что теоретическое предположение о размытой форме кривой выноса меченого элемента в пасоку экспериментально подтверждается. Как правило, формы фронтов выноса имели монотонный вид. Однако в ряде случаев в биологических пов-торностях на размытие фронта накладывается какой-то им-. иульсный физиологический процесс. Какие-то внешние или внутренние факторы «возмущают» растение," и растения перед опытом могут находиться в возбужденном состоянии. Сложность растения, как биологической системы, проявляется в том, что на процесс формирования фронта меченого элемента в соответствии с общими физическими закономерностями • динамики сорбции накладываются физиологические закономерности ритмической работы корневой системы.

Т а б л и ц а 1

Пределы изменения времени появления меченых элементов в пасоке в онтогенезе растений

Меченый элемент Время, минуты

подсолнечник ' • фасоль

Р* 5-> 10 10-30

8* 3-* 1

' К* 10- 30 <5-»30>

Са* • . <10-170 - <5->75

Следует отметить, что полученные фронты выноса меченых элементов в пасоку были не настолько сильно размытыми, как ожидалось. Возможно, причиной этого явления есть действие закона Викке — обострение фронта сорбции при выпуклой изотерме сорбции. В таблице 1 дана сводка данных, характеризующих пределы изменения времени появления меченых элементов в пасоке в течение онтогенеза растении.

Из этой таблицы видно, что имеются некоторые общности и различия в транспорте различных меченых элементов через корневую систему.

Врем'яле'ченых элементов Р*. S*, К* н Са* в пасоке на ранних фазах онтогенеза подсолнечника и фасоли не превышало 10 минут. Наиболее быстро транспортируется в надземную часть растений сера. Время появления в пасоке Р*, К* и Са* увеличивается с возрастом, хотя и по-разному, в то время как это время для серы уменьшается. Вероятно, это обусловлено тем, что меченая сера перемещается с максимально возможной скоростью — скоростью движения подвижной жидкой фазы в проводящих каналах, т. е. сорбция тех химических соединений, в составе ♦которых переносится сера, отсутствует. Различное время выхода меченых элементов в пасоку с точки зрения теории сорбции обусловлено различной сорбируемостью (различные распределительные отношения) тех химических форм, в виде которых они переносятся. Отсюда вытекает, что к корневой системе можно применить модель хроматографической сорбционной колонки, обладающей разделительными свойствами. Различное время появления элементов в пасоке — это естественный хроматографиче-ский процесс.

Радиометрические динамические методы определения скорости переноса меченых элементов по стеблю растения

Этот раздел начинается с подробного описания фронтального и элютпвного динамических методов радиометрического определения скорости переноса меченых элементов по стеблю растения.

Наиболее простым вариантом фронтального метода радиометрического определения скорости переноса меченого элемента вдоль стебля может быть вариант, в котором радиометрически с помощью счетчиков-щупов получают две функин распределения меченого элемента во времени для двух фиксированных точек стебля-*! и х, т. е. Лг=/г(х1,0 и Л2=/(х^). По этим кривым можно определить моменты появления tx и и меченого элемента в двух заданных пунктах стебля Х\ и х. Сответственно путь переноса будет равен Ь=х,—х«, а время

Ч переноса r==r2—<Ь>/Тогда скорость переноса будет: Vt—Llt -согласно ч теории динамики, -сорбции* V=f(h), где Л —распре; " делительное отношение/'t*;"' •"..;,.' м • ,•*>/. V-/-*/; V.;/ . Важное.значение имеет* прослеживание* кинематики пере:, . носа не только самой/передней/точки, фронта меченого.эле-, -мента, но.'и.других.концентрационныхАточек фронта. Это,позволяет получить информацию о характере деформации фрон-" та. Такая информация|позволяет выяснить- закономерности. _ динамики гетерогенного4распределения. меченого элементам стебле растения. На основе/теоретических соображений !Йред-

* сказывается обострение фронта меченого элемента в-верхних .

♦ точках стебля. '; - AA'".yrAv.'i ',- А-\ :'""- -• . . \" ,,. /,•

, >• Изложена теория-элютивного-метода'.и рассмотрены осо-/, бенности элютнвной динамики * сорбции меченых элементов в

* стебле растения. Согласно теории скорость "перемещения максимума элютивной ,волны'»меченого элемента отражает Среднюю скорость" его Апереноса.*} Эта средняя' скрорость ::Vm=

•' Uh/(l +h): Экспериментальное сопоставление скоростей передвижения максимума.Ш-передней*. точки фронта "«меченой *•'. волны» дает возможность .выяснения Афизических особенностей сорбционного процесса \в частности выясненияАвида'изо-

♦ '"'термы сорбции;,.а**'".; :?,ри_\ , v." 3-V—e-1 ' -.-'- ' у: ;•/.'

'. Элютнвный,/метод редиометрнческого определения .-'скоро;., сти переноса меченого элемента реализуется путем инъекции '."""*/в стебель меченого элемента. :,Момент. инъекции фиксируется /% '(to)'" Счетчиком-щупом*ь\'получают//кинетическую кривую

♦ '-, A=f(t) на • расстояний \£:'от "точки .инъекций. По полученной

* .кривой определяют моменту, прохождения5 передней-точки

фронта (Г)) и максимума*,мёчёной'волны (tX Рассчитывают: £/=/i—/0, /т=/г—*о. а/затем/скорости V^Z./a и Vm=L/tA*. В следующем /разделе 'описаны принципы устройства "и / работы записывающих • , одноканальных \'и.' регистрирующих .>- многоканальных:автоматических 'радиометров, предназначен-„ , ных для определения скорости переноса меченых элементов

/ 'пб.стебл 1оАрастенйЯ'/'А:";Л;/'-';Ад-/7'. у./"-*"..... .'/V**.......-/". .у

1 . Переднепбередственньвь использованием указанной аппаратуры для ,рад*иометрическо"го4 определения искомых/скоро;. '/стей переноса меченых элементов в опытах in vivo былапро-ведена серия; мо'дёльньрг опьггов' по/испытанию радиометров. ; -Такая проверка"работыуоыла Tie*бходима, т. к. достоверные /; результаты,мрйАногголу'шть/тблько"-тогда, когда регистрация /активности/на ленте самописца воспроизводит с достаточной точностью/ход'/измерения'-активности, .ва заданном/ пункте

стебля. /~ ''• - /v *а:а$~/>:///а.....-^.а^"-' .-///"*'/.-

Для проверки/правильностй\.методйк"й/определения/иско--мого времени продвижения Афронта активности меченого элемента провели сравнение трёх /интервалов времени для* актив-

ной полоски-имитатора. (полоска с заостренным концом):

1) времени движения фронта радиоактивности от первого до второго счетчика по автоматической записи радиометров;

2) время, движения обостренного конца полоски от первого счетчика до второго но визуальному наблюдению; 3) времени продвижения обостренного конца полоски по скорости движения полоски — имитатора распределения активности во фронте.

Результаты одного из модельных опытов приведены и таблице 2.

Таблица 2

Испытание записывающих автоматических радиометров. Модельный опыт

По записи на ленте По секундомеру

Повтор-ности момент по* явления активности в сч. № 1, • мин. момент появления активности в сч. Л> 2, мин. сч. № 1, мнн. сч. М? 2', мин. По скорости движения полоски, мин.

I И = 1,8 12=20,2 1, = 1,8 12=20,1 18,5

1 = 1 -И 20,2—1,8=18,4 1 = 1г-1, 20,1—1,8 = 18,3 8,

II 1, = 1,8 12=20,1 И=1,8 12 = 20.3 18,5

' 1 = 12-1, 20,1—1\8= 18,3 1 = 1,-1, ' 20,3—1,8 = 18,5 8,

Средние 18 4 18 ,4 8,

В модельных опытах было доказано, что с помощью ЗАР можно получать вполне достоверные данные по фиксированию моментов появления активности меченого элемента в заданном пункте растений.

Подробно изучена методика определения времени переноса меченого фосфора вдоль стебля (фронтальный метод) с помощью двух записывающих автоматических радиометров.

Обработка, кинетических кривых ./1= /0) на ленте самописца производилась следующим образом. Вычерчивали полосу разброса (размах колебаний) для записи фона. Затем через середину полосы .вычерчивали среднюю линию. Это был средний уровень регистрации фона. Начало появления меченого фосфора в нижнем пункте стебля растения (г0 определялось как момент устойчивого нарастания активности п этом пункте. Аналогично определяли время появления мече-

ного фосфора в верхнем'пункте;стебля растения- (1). Анализ х начальных участков фронтов. в-'интервале, пяти фонов пока-. • зал, что этот начальный участок .фронтов был стационарным.*-' . *• •*? При проведениилопытовлсущественнойд; методической частью работы было' согласование Лскорости;;-движения ленты -бумаги ЗЛР, диапазоналактивностн'с'кинетикой поступления Л'меченого фосфора в'заданныё пункты.стебля растения. При* ведена методика определения.времени'-'переноса - меченого •* , " фосфора вдоль стебля: (Фронтальный метод) ."с помощью -мно-"' гоканального регистрирующего-'(печатание на, ленте лочек)>; 'автоматического радиометра. 'Здесь также были проведены " предварительные исследования :по-подбору, режимов работы,. Лустановки в соответствии с;кинетикой регистрируемого процесса нарастания- активности, -,в; нескольких* пунктах стебля;-'

1 растения. . ' ' у*уг'"..",,--....... . Г •• ЛД-Л. *";-" • • V- '•.....

Специальные исследования;были проведены по разработ-'.: ке методики опредёления,_времени*пёреносаЛмеченого фосфо-; ра методом «меченой волны».;; Был а: изготовлена из фильтро-* ; 1 вальной бумаги радиоактивная фигура «змей», имитирующая; ** «меченую волну». П6казан6,>что;ЗАР точно 'регистрирует момент* прохождения максимума активности* против -, щели'. 'счетч11ка-щупа..Было установлено в опытах'сЛрастениями под-"' солнечника, что вдоль стебля распространяется «волна» мече--ного фосфора с резким.передним афронтом, но сильно растя-.;*; нутым «хвостом».' Такого рода 'распределение .сорбируемогочс вещества вдоль пути движения' Лнаблюдается в, элютивной ''4 хроматографии привьшуклых избтермах'сорбции.' *

По передней точке,записиЛфронта, меченой волны определяли время <ф, а по точке;максимума'— среднее время.двиЧ,* : жения меченого фосфора /Л. И ' *• -"- \ ".,.',

Далее изложены непосредственные результаты определе- г ^ ния,скорости., переноса .меченого фосфора ,по стеблю растений ! подсолнечника" и.фасоли фронтальным методом.,Варьировали- . возраст растений. Результаты.приведеныЛв таблице 3. ,,". • ,-.

'. ...........' "-"Г,*" './ч*''.'-. '.'•'*'•' "' -:-и,л"~ ••"' Таблиц а'з ;.

• • Средние (по. повторностям)- скорости переноса меченого фосфора » .>'. по стеблю подсолнечника и фасоли "(см/час). Фронтальный метод :.* -

Возраст, дни Подсолнечник .- ;; Возраст, дин . 4 "' Фасоль

34 ,41 '48 54 61 68 41?0±20(И%)';Г-110±16(15%).П 100±14'(14%)-1'! «1Бб± 17(11%)". • 65±,"2(3%У'Ч?1 ' 07± 15(15%).!. .'Ч:.'........14" •-•У *-* • ' *"* • •" '•,•-. '"28.' ' *1> .;"*'•" 35-!'."Г... * •л-,--.'.' «•:.• •-; г -. . ,43 ,".-, •" 435±50(13%) Т ЗЭ0±4Э(13%) •; 404 ±62 (15%)> •<• 23б± 12(5 %) - ;. • 60±.|'»(13%) у. 67 ± 3(7%)ИУ .

В пределах возраста подсолнечника 34—68, дней не наблюдается какой-либо регулярности в значениях скорости переноса меченого фосфора в стебле растений. Наблюдаются колебания этой скорости в интервале 60—180 см/час, в среднем около 120 см/час. Таким образом, в данном интервале возраста растений подсолнечника не обнаружено существенной зависимости скорости переноса меченого фосфора от возраста.

В опытах с фасолью в возрасте 14—49 дней на ранних фазах онтогенеза средние значения скоростей переноса фронта меченого фосфора составляют порядка 400—500 см/час. В дальнейшем скорость переноса падает и достигает около 60 см/час. Как в опытах с подсолнечником, так и фасолью наблюдались значительные колебания скорости переноса у растений в биологических повторностях в пределах 2—3 раз.

Результаты определения времени выноса меченого фосфора в надземную часть растений, полученные методом измерения активности пасоки и методом регистрации активности счетчиком-щупом (in vivo, интактные растения), удовлетворительно согласуются.

В серии опытов были проведены определения скорости переноса фронта меченого.фосфора в стеблях подсолнечника в зависимости от уровня минерального питания. Установлено, что с уменьшением уровня минерального питания ('Д нормы Кнопа — контроль, другие нормы — Vi6. 7зг нормы Кнопа, водопроводная вода) скорость переноса фронта меченого фосфора увеличивается (таблица 4).

Т а б л и ц а 4

Скорости переноса (см/час) меченого фосфора по стеблю подсолнечника на двух последовательных участках стебля при разных уровнях минерального питания

Варианты опыта Первый участок Второй участок

'/4 нормы Кнопа (контроль) •1B=Í= 2(1,7%) •130±' 5(3.8%)

102± 4(2\4%) 148±15(10%)

'/зг нормы Кнопа..... 323*28(8,0%) . 315*28(8.8%)

Водопроводная вода..... 372*29(7,8%) 400* 6(1,5%)

При исключении из смеси Кнопа фосфора или азота установлено, что исключение из смеси фосфора приводит к увеличению скорости переноса меченого фосфора, тогда как исключение азота не влияет на скорость переноса меченого фосфора. Перевод растений, предварительно испытывающих фосфорное голодание, на среду с фосфором приводило к уменьшению скорости переноса меченого фосфора в стеблях

фисоли. Сравнение значении м:аксимальных скоростей .переноса, лолучен1Ных,'фронтальиым:и элютивным методами, пока- , зало их расхождение**д,(фронтальный —60—180 • см/час, элю-,-,,, тивный — 400—800,см/час)..ЛЗначения»же средних скоростей,'«;... установленныел по скорости 'движения'" . максимума ; меченой ! . волны, оказываются.; ближе: к- значениям'максимальных скоростей, определяемых У ЛфронтальнымЛ - методом. Предпола-и гается, что различия;, в; результатах определения скоростей . переноса ..меченого С;'фосфора,Л фронтальным,,-и элютивным методами обусловлено >Лразличным «>составом химических;; форм меченого;фосфора_'В стебле при введении его через кор- -. невую систему и путем;инъекции в стебель.- : .♦ ;:~и з;'„ «1,

; Потребуются дальнейшие усилия биофизиков для накоп-;., ления методического опыта л экспериментальных данных по-определениЮ;.скор6стей' переноса, меченых'элементов в растениях. „ ,• -_ . г~> л**'.;\г>1"'• ,л • • -. 'к ".' ' , • \\'{•- *

.' *!;li;-"-'V:' 'Ч'.В,ы'вод'ы ...' •;«:."-Д. - ..Л--.Д,. -

♦{.На основе анализа'экспериментальных и теоретических литературных данных/q процессе, переноса, веществ в "/растениях развита физическая, модель этого процесса поланалогшг , с"динамикой, переноса веществ в гетерогенных системах; (модель динамическойхорбции): tj:; .. •; - '." .».",'.♦

2. РазработанаСрадиометрическЬя, методика определения-, времени переноса" меченых элементов через корневую >сисге> му, основанная, на= регистрации'появления меченого элемента*' в пасоке. Д !; . Д -.ДГ: r;v. чД* --Д- '".'-. * ':';.'".•;. •

3. На основе";общей теории 'динамики лсорбции и хромато-Ч "графин дано.обоснование'динамическим,''хроматографическим

, методам (фронтальныйл ичэлютивный;.методы) ' определения .скорости переноса меченых элементов в растениях. *v-,

4. Проведен анализ*особенностей и методики применения автоматических-радиометров для определения скоростей переноса меченых элементов:в растениях-(т vivo). Разработана методика модельных испытаний автоматических ■ радио- ; метров в целях получения достоверной регистрации кинетики активности меченых элементов в испытуемых объектах. " • - ;- • • •

"•' 5. Разработана'.-радиометрическая методика определения t времени переноса.-меченогофосфора: вдоль стебля; растенияЧ; (фронтальный i метод) ;сЛ помощью двух записывающихл аю-«"' магических радиометров:и,многоканального регистрирующе- ,. го автоматического.радио"метра.(ЗЛРи РАР); ......ЛД,'

6. Разработана; методика «меченой, волны» определения-времени переноса меченого фосфора»вдоль стебля растения.'!, с использованием.автоматических радиометров. . .,:'«'..;"

7. Разработанные радиометрические методики были использован32ы в исследовании ки33нематики переноса ме4ч2еного фосфора (32Р), меченой серы (338), меченого калия (42К) и меченого кальция (4ЯСа) в растениях подсолнечника и фасоли на различных (разах онтогенеза.

8..В опытах с растениями подсолнечника установлено, что время.переноса меченого фосфора через корневую систему в возрастном интервале 12—47 дней составляет 5—10 минут и слабо зависит от возраста, обнаруживается незначительное линейное увеличение этого времени с возрастом. Для растении фасоли указанное время составляет 10—15 минут и также слабо зависит от возраста.

9. Время переноса меченой серы через корневую систему подсолнечника составляет в начальные фазы онтогенеза около 1—2 минут. Для фасоли это время составляет 5—10 минут.

10.' Время переноса меченого калия через корневую систему подсолнечника составляет в начальные фазы онтогенеза 10—-15 минут, а в более поздние фазы — 25—35 мчмгут. Калий медленнее перемещается через корневую систему подсолнечника, чем фосфор и сера. Для фасоли это время в раннем возрасте около 5 минут, далее увеличивается до 30 минут. Возрастная зависимость поступления меченого калия в надземную часть растения выражена более сильно, чем для поступления фосфора.

11. Время переноса меченого кальция через корневую систему подсолнечника в начальные фазы онтогенеза составляет менее 10 минут и на заключительных фазах роста — 150—170 минут. Таким образом, и для кальция возрастная зависимость скорости поступления элемента в надземную часть растения выражена довольно резко. Возрастная зависимость времени выноса меченого кальция в надземную часть фасоли сходна с такой же зависимостью для подсолнечника.

12. Фронтальным радиометрическим методом установлено, что скорость переноса меченого фосфора по стеблю подсолнечника составляет 00—180 см/час. Зависимость скорости переноса от возраста не обнаружена. Скорость переноса меченого фосфора по стеблю фасоли составляет на ранних (разах развития 400—500 см/час, в дальнейшем скорость переноса падает и достигает 00 см/час.

В опытах с подсолнечником и фасолью обнаружена значительная изменчивость скоростей меченого фосфора в биологических повторностях при прочих равных условиях. Высказано предположение, что кинематика переноса меченых элементов может существенно зависеть от индивидуального физиологического состояния каждого данного растения.

13. Установлено, чтоЛисключение из минеральной смеси азота не повлияло на скорость переноса меченого фосфора по стеблю подсолнечника. ;«--; .-•"•-•'•'. '

14. Метод «меченой волны»'(элютивный метод) дает более высокие значения (400—500'см/час) максимальных скоростей переноса, чем фронтальный фадибметрическйй • метод (100— 200 см/час). Предполагается, что это гразличие обусловлено различием состава химических форм,меченого фосфора при поступлении его через корневую систему, и при инъекции мече- • ного фосфора в стебель.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: - ..

Г. Определение скорости переноса меченого фосфора в растениях с помощью автоматических регистрирующих радио-* метров. Известия ТСХА,' 1968,'вЛ, с. 94.- Соавторы: В., В. Ра-чинский, А. О..Фурман; М. Меракчийска. .ч .. " 2. Радиоиндйкаторный метод1 определения времени" переноса меченого элементаиз питательной среды в надземную часть • растений. Доклады ТСХА/1972, в. 188, с. 217. ...

3. Теория и метод определения скорости переноса меченых веществ в растениях. ВНТинформцентр, Б 156 174, 13 января 1972. Сборник рефератов НИР, серия 04, 1972; № 5—6, с.лЗО. Соавторы: В. В. Рачинский, А. О..Фурман. » :"'• •

4. Определение времени' переноса "меченого фосфора (32Р) из питательной среды в надземную часть растений." ВНТинформцентр, Б 265 016, 2 июля 1973 г. Сборник рефератов НИР, серия 04, 1973, № 5 с. 54.

• Объем 1 п. л.

ч Тираж 150

Заказ 1978.

Типография .Московской'с.-х. академии им. К. А. Тимирязева,"' ;!

125008, Москва А-8, Тимирязевская ул.. 44 - Л'-»."*'