Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Закономерности ксилемной эссудации корня с позиций обратноосмотической теории

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Закономерности ксилемной эссудации корня с позиций обратноосмотической теории"

РГБ ОД

2 з опт ет

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ!! УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛУКОЯНОВА

Светлана Анатольевна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ КСИЛЕМНОЙ ЭКССУДАЦИИ КОРНЯ С ПОЗИЦИЙ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

специальность 03.00.12 — физиология растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена г, лаборатории биофизики растении и фитомопито-ринга Агрофизического научно-исследовагельско, о института.

-»• Научные.....^руководители: доктор биологических наук, профессор

{ О. О. Лялиа (; кандидат биологических наук, ст. п. с. И. Н. Ктигорова.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук С. С. Медведев, доктор биологических наук Г. А. Волков.

Ведущее учреждение: Институт биологии Казанского научного центра Российской Академии Наук.

Защита диссертации состоится « ? ъ1995 года в час.

на заседании диссертационного совета К 063.57.12 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук в Санкт-Петербургском государственном университете (199034, Санкт-Петербург, Университетская наберелошя, 7/9, биолого-почвенный факультет СПГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан « »ошло/иг 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кадидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Транспортная функция корпя является одной га центральных проблем физиологии водно-солевого обмена растения. Удобной моделью для исследования транспорта вэщэотв корнем алушг отсеченная зкссудкрущап корневая система растения. Согласно наиболее распространенным представлениям движущая сила корневого плача имеет осмотическую природу и чисЬэнно Определяется разницзи осмотического давления между ксилемным соком и корнеобигаамой средой , Зависимость скорости плача от осмотической дзижуцея силы может вить вырашэва формулой Сабинина:

v = К < пх - п0 ). С1)

В то m вре"я установлено, что процесс выделения пасоки может происходить после того, как корень перенесен о изо- или даже га-перо смотическта По отношению к пасоке рёстворь1 I Overd1:i:k,194-2í . КЗЕестно также, что интенсивность Плача сильно зависит от уровня метаболической активности корня, нувстйетэльна к изменению температуры, недостатку кислорода, метаболическия ингибиторам ,, экзогенным фигогормонам и к другим воздействиям t Kraher. 1942; Küjper, 1963,- BrOUWER. 1377; КОЛШВИЧ, 1983] . ДЛЯ ОСНЯСЯЭНЛЯ эти* СВОЙСТВ экссудации иногда прибегают к гипотезе о неосмотичосКом» первично активном радиальном транспорте вода клетками корня [ House:. Find-lev, 1966. Можаева, Пильщикова, 1972, I978¡ Колкевич и др,, 19791.

Современные осмотическга кояцэпции объяснят1 перэ числе шага свойства без привлечения гипотезы об ветйвяоМ Транспорте воды, яо требуют других допущения! непосродатш иного сопряжения Зодпого потока с активным радиальным транспортом, ионов Г Amsz, Gardner.1970,- fiscos. 1973.- DalÎON et al.> 197B) i наличия в crejttl корня иэяйрзн с необычайно вьтсокой пройицаевость» к растворенным веществам IGinsburo, 1971,. Anderson, 1976: №:wman,1976) . функционирования в стели корня системы агюпластпшс каналов дяя

локальаого сопряжения водного потока о. активным ионным транспортир

- 3 -

[ Клтои. Гикииото, 1ЭЬ6; КАТои, Таша- 19893.

В паслоднээ врзмя. разработана обратноосмотическая-модель кор-ниаой аксоудвцш!. .о позиция которая ?епамез плача 'находит объясне-шю без пряагэчошш асах приведенных шага гагатов и дэпуэдэниа I Лялин, 188ЭЗ . Оуклооть данного подхода клаострирует рио.,1, ка котором оопостгздэци схеш "обычного" осмометра и оЗратаоосматагавасо-

• го аппарата, используемого ада тохвичоского обессоливают веды.

х-кэмбрана

р „о ^ ,

,яг, > о" о „.

\>ГГРГГТГ77Г777-/Л ■

сй Й о-кенбрана/ сз

Рис.1. "Обычай" осмометр (а>, 'охеяе. обращосскотичвского аппарата (б) и гвпртетичооша дзухмамбранша осмометр,, ммигаруодиа корень <в) [Ашш, 13033. ,

В"обычной" осмометре <ркс.1а) веда дшыотся от ковьшеа концр-традаи 'рзотвораншх взврота в окруйащвм-растворе к их большей кои-грятрацки внутри оомоиатра. Потоку реду'прояятртотаует гидростатическое давление р^, развиеакщэеоя внутри оомадетра. В сбратноосмо-тичааком аппарате (рно.Хб) ивибраноа ддукэт'.отвшеа полого волокна, хорошо пропускающего воду, но задэрщваюэдэго растворенные вещества, а давяуща сшоа штока сдуида додаваемое в ашарат гадроста-тичаское давлогшэ, 0 отличий от "прямого" оомооа при обратном оо- '

• мооа сбъемнш поток йаправлеи-от -болыюго к меньшему осмотическому давлению,

Согласно обрэтлоосмотичеекод теории моделью. корня дакет служить язухиембрашш осмометр, првдетааляющла комбинацию дзух пре-дадущих модош (рио, Хв). При этом о-мекбрана, отдаляющая еим-плаот от наружного компартмвнта - корнообитаемаго раствора (сово-

. - 4 -

купность плазматических момйраи клоток згоздэрмися и коры), функционирует а режиме "прямого" осмосэ! я х-кембрана, отделяющая сим- ' пласт от внутреннего компзртхонта - апопласта центрального шшйд-ра (совокупность плазматических мембран клеток стели), Функционирует в режиме обратного осмоса. Роль гидростатического давления, ' Евосйсодкмого для 'фзиътргцки ведаете через х-мебрану, выполняет тургорнэо дзалоида.. Суакциснальная ессккотркя кекЗрен сЗуоловлэна .прострэпстзоняоа стругггуроп корня: поскольку внутренний комларт-ионт имоэт ограниченный сбъем л потеки через х-мэмбрэну являются для него едшотеонным источником осмотически действующих ввяоетв» осмотическая коацэяграргя С°см ¡ми осмотическое дгьлониэ ксилзмно-го окссудата п^ пэ являются независимыми поременными, а связаны о объемам потоком I и потоком растворенных ведаете 1д зависимостью: 1 /1 , - п /ит , являющейся существенной особеннос-

Л й V "Д

ТЫО ОбраТНОССКОТИчОСКСГО процесса.

Соотношения ооярвных параметров плача проанализированы в рамках обратноосмотичоскоа концепции на основа двух предельных вариантов взаимодействия потоков вещества и воды в х-^момбранэ: I) диффузионное приближенна:! выход вещества из симпласта имеет диффузионную природу и непосредственно с транспортом вода не сопряжен (модель гомогенной мембраны)! '2')-конвективное пряйтянив; транспорт вещества 'имеет конвективную -Природу И шэотко связан о транспортом воды (модель мозаичной мембраны). Согласно обратаоос-мотической концепции п^ является'величиной, зависящая ОТ значения пс й'п , Для выявления этоа зависимости введен коэффициент концентрирования пасоки >>,• характеризующий проницаемость х-меШраны для растворенных вешэств, определяющих осмотическое давлений'пасоки:

■ *х < п* - по 5 , ; "" ' . "

' •■ . 1-1- • ■ (диффузионное приближение), (2)

. п - п •

с х . '

* < х ? (конвективное .прййАяюниэ). ' (3)

п - п ? 1"> - б -

Зависимость п от п , п определяется соотношением; .

«X О С

"« - Ао.ц + 1/2 "с „где согласно С2>: Aq + nQ -

согласно сзАк =1] - ^ <пс - пр> (6)

Теоретический аналта показал, что формула (1). предложенная Сайинкаш для одеомеыбранноа «одели корня-осмометра,. сохраняет силу в случае доухмэмбранноа модели корня с одинаковыми свойствам обеих мембран (если значения коэффициента отражения d у обеих мембран близки к I). При этом коэффициент Сабинина К может быть определен как: К = S Lp (У . С73 Анализ, основных соотношения; обратноосмотичасков концепции показывает, что в стационарных состояниях, йри условии пс > по оОьвкша шток всегда является восходящим , при атом связь корневой экссудации с ивтайщмзмдм должна проявляться в aro влиянии на основные параметры модели. Благодари лаконичности соотношения и простоте вкодариюнтального оцрвдалэния основных традатров обрат-ноосмотичеохо? «одели продотавляется весьма тарсдактаввым использовать ее для наследования транспортник функции корня.

v ~ скерооть плача единичного коран, см с""1; nQ- осмотическое даоленш коршоботаемого раствора, бар; п^- осмотическое давление Пасоки, tíep;ttc- осмотическое Дааданио cóдернимого симплаота, бар i К - коэффициент Сабщнва, см с"-1 бар L ~

- коэффициент гидравлической проводимости корил, сь: о^бар"*!

койффздиэнт концентрирова}Еия пасоки соответственно б рамках диффузионного ¡ш конвективного яркйже&щ обратноосмотичосков кошэпции, бар; о1 - коэффициент отрэж§нкя, s - приведенная площадь осмотически'¡мембран корня: . а «■ В~Ъ, где SQ.S), -

- площадь соответственно о- U х- »мбраны в даухкбкйрайаоа кадей! корня! ПЭГ - шдоэтшенгликоль,. ЦТ- адвдогексйВД,. АЁК - абсцизо-вай'кислота.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЛИ ИОСЛЕДОВАНШ Цэль» представленной работа является исследование ваконояарноотэй корневого плача при изменении

- в -

факторов внесшей среда и действии физиологически активных веществ о позиция обратнооскотическое модели корня. В связи о этим были поставлены следующий задачи:

1/ провести экспериментальную проверку ключевых соотношений обрат-ноосмотичоской теории: а} зависимости скорости плача.от величины' осмотической дагскущэй силы (формулы Сабквша С15); б) .зависимости осмотического давления пасоки от осмотического давления корнеоби-таемого раствора и осмотического давления содержимого сикпласта (соотношений (2)-СБ));

Ту базируясь на методологии обратнаосмотической модели, исследовать метаболическую зависимость корневой вкоаудации га примере действия неоггпипльнсй температуры, гипоксии, з также в хода реакций корня на метаболический ингибитор - циклогексимид и экзогенные фитогормоны - кинетин и абсцизовую кислоту.

. Впервые проведена эксгарчмонтальная проверка обратноосмотической модели корневой экссудации. Установлено, что формула Сабинина (1) справедлива для описания как мгновенных, так и стационарных значения скорости плача: в первом случав значение п'остается постоянным, а во втором - определяется соотношениями конвективного или диффузионного приближения модели (С4)-С6)).

Впервые с. позиция обратноосмотической теории проанализированы параметры корневой экссудации при действия неблагоприятных факторов внешней среды и физиологически активных веществ. Установлена, что длительная гипоксия, присутствие в корнеобитаэмом растворе высоких концентрация циклогексимида, кинетинз,' абсциэсвол кислоты вызьтаят неспецифическую реакции Корня: саюганиэ скорости экссуда-' ции в результата уменьшения проводимости корня как.для вода, так и для растворенных веществ. Высказано предположейиэ, что причиной ингиЗирования плача является закрывание плавмрдэсм и резкое уменьшение эффективной площади внутренней мембраны корня (х-мембраны). <.

- 7 - . .

Подученный результаты пэвдолми выявить эвристическую данность сбратнаасиатичаоког мадзли, которая не только предсказывает новые закономерности, на к предоставляет простой способ оценки значения п , не прибегая к раоруаешк. корня, путем 'анализа зависимое-тея (£5 или (3), а такие дает проста® метод расчета коэффициента отражения о" х-мембрзш», рбычно трудно .годцаюцеяся оксгарикентальвону исследованию а.стличиз от наружной с-мембраны.

Продемонстрирован просто? методический призм комплексная оценки основных параметров корневой вкссудации на основе регистрации мгновенных V*- п* - характеристик, особенно аффективный при исследовании быстро цратекввдпс реакции корня. Показана возможность оценки значения пп Саз разрушения корня по точке перелома в линейной мгновенной у*-п*- характеристике плаче, полученной в широком диапазона значений п*.

Результаты проведанного исследования свидетельствуют о полезности обратноосютотэской теории, прёдотавлвдея новый взгляд на природу корневой акосудацки, а 'такжо расширяют существующее представления о соотношении наспецафкческой (стрессовой) И специфической компонент реакции корня на разеосбразкыэ воздействия.

' Материалы диссертационной работы доложены на 8 и й'Оабщинскж семинарах (Москва» 18й7,1б38), на 2-м Всесоюзном съезде физиологов -растений (Минск, 23-27 сентября 1В20), на В-м сиипоадуме Маадуаародвого обшастав ко следователей корня (Венз, 2-6 сентября 1981), на семинарах лаборатории биофизики растекиа и' фитемониторинга, на семинарах секции биофизики Агрофизического НИИ О^ШШШ По кагериалай диссертации опубликовано 7 работ;

.Диссертационная работа .состоит из ¡заедания, 4 глав, охватывающих обзор литературы, описании объектов и методов иа следовании, иэладаниэ Подученных результатов и их • обсуждение» заключения, выводов й описка Литературы.

Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного

- 8 -

текста, содержит 25 рисупкоз и 15 таблиц. Список литературы включает 189 наименований.

OBbEKI И METOiM ЙСС^ДОВЛНКЯ УСЛОВИЯ НЛУДЭАНУК PASTKOK К ЦГОВЕЩЩ. ЭКСПЕРИМЕНТОВ В качество объекта сснсекых исследования были выбраны корни 3-4- недельных растешй 7ЫХБК Cucurbita máxima L. (сорт СТОфуНТОВаЯ).

Растения выращивали в зодноя культуре при температуре 20-22^0 и продолжительности светового периода 1в ч, размокая по одному в литровке-баяхи, заполненные на 2^3 объема•аэрируемым растйороМ Клопа, которая наняли Г раз в 2 суток. В некоторых вариантах опытов растения з возрасте 8-10 днег переводили На раствор, содержания I/-20 нормы Кпспа, или на нормальный раствор Кнопй с n»ci. В •последнем случае -ксгсдантращм h»ci увеличивали каашыв сутка на □ ,005 М к доаодоа у. началу опыта до 0,040 М.

Б день опыта корень отделяли от Надземной части йз 0,3 си вы-се корневоа маки.. Пенек герметично' создавши с градуированным капилляром. Спит начинали черэа 2-2,5 ч посла срезания надзекноя части, когда объемных поток и осмотическое давление пасоки принимали относительно постоянные значения, и проводили При непрерывной аэрации коряеобитаомого раствора и температуре 16-23°С. Изменение осмотического давления коршзобхггомого раствора производили замеяоя • его на раствор, содержания•помимо I (мл ]>20) йормы Кнопа осйоти-ческя активное вещество, главным образом, сорбит. При исследовании эффекта гипоксии корневые системы переносим.в растворы» на-сыщенныя азотом.

' Для выращивания'растений и в экспериментах яспользоозли реактивы отечественного производства квалификации х.ч., циклогекойяВД ("Serva" Швеция ), ÍCÍHOTKH ("Chöiiapöi" ЧСФР }, АБК ("Fluka A3" Швейцария).

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ, ЭКССУДАЦИИ ' Быстрые ивмэйэния

объемного. потока определяли по сдвигу маниока в гермятично соеди-.

- О -

нанном с шньком капилляра (ценз делания 0,001 ил), отмечая иомэи-ты. прахсадания делений на быстро движущейся ленте. Ддагельнуи регистрацию скорости вытекания пасоки проводили методом автоматического счета капель [ Гунар, Паничкин, IS69 j.

Осмотическое давление пасоки и опытных растворов измеряли в микрообъомах <50 мкл) на крисосмсметро, Измерение осмотического давления скмпласта проводили в микрообъемах гомогената корней на криоосмоыетре. В ходе предварительных опытов проведена оценка изменения п -, происходящего в течение суток, поело отсечения корня от растения. С зтоя целью от вкссудирующея корневой системы с интервалом 8-12 ч отделяли небольшие {до 200 мг) части, которые обоушза-ли фильтровальной бумагой и растирали в жидком азоте с кварцевым шоком,В кодда вкешримента аналогичным образом получали гомогенат из всеа массы корневой сиотемы. Повторнооть измерений каждой пробы гомогената 3-4-кратная, Рааброо значений пс между повторнсстям составлял 0,01-0,05 бар. Полученные в течение суток вначенкя пс отличались не более, чем ца 0,1" бар. Поэтому ■ в основньас вкешримэн-тах осмотическое давление содержимого симлласта оцэнивали по данным криоосмаметрин корневого гомогената., полученного в конце опыта.

МЕТОДОЛОШ .ЗКСПЕРИМЕНТШДТО, ПРОБИРКИ ОБ?АГИ0дС?.!07ГЛ£СК0П Экспериментальная проверка формулы . Сабинина <1> может быть осуществлена путем регистрации быстрых изменений скорости плача ду* (¿V* = V - V*, где V - исходное ана-чещю скорости плача), возникающее в ответ на кратковременное погружение корня в растворы с различным осмотическим давлением Cn0î-Можно допустить, что при кратковременных воздействиях значения п^ . и к остаются неизменными, В атом случае, в соответствии с CD зависимость V* от п* <мгновенная у*-п*-характеристикз) додана быть линеанои (рис.йа), а Точка пересечения ее с осью вбсцисс должна

соответствовать величине л (при v* » О. п » л Адекватность

■ ** • ' О

значения п^ мотет быть проверена прямым определением осмотического

давления пасоки.

Рис .2. Мгновенная у*-пд-харакгорнстм:з_(а) к отапиэнарзьэ 1-п -зяваскяостк (5) 1=пхспх-п0),г:1=гсп0)!2:1=гспх) '

Другими клэтэвкми соотесеошк^и сбратноссмотичоской модели . являются аавпсдаостк п от п0 и пс в стационарных состояниях, оп-рэдоляекь'о состаеташаяг С2МСХ Если да удобства лрэдетгвлонип. •лмтаах данных в&эсти обозначение: п (п -п ) « I, выражения С23 И "3), межво записать соотвзтотаозво'как: I..

I,

>Ъ СПс - V' \ СПс- По3-

(8) (Э)

Эксдаримэнталъну» - проверку этих ссстнсгеняа койно осуществить, от--кдадывзл на графике ста^юнзрпыо значения 19 в 'оавикмооти лзаЗо от п (диффузионное приЗлгтавга), лйо от п (конвективное прийдика-ние) (рис.26), при отек экстраполяция'пряха* до пэрзеечэгея с

осью абсцисс С1,

О) должна дать значения П

. ------- --------------- л , которое-в овоя оче-

редь, кошт Сыть прозорено независимыми методами.

Экспериментальную проверку ссэтнэсзоюй СО-С6) проводят, сопоставлял зпачеш-и.л , рассчитанные по зтим уравнениям, со значениями п , получозхымп окспаргаэнтально при относительно продолжительных изменениях осмотического давления наружного раствора, СПОСОБЫ РАСЧЕТА ООНОЗИДС ШРА^ЕТРОВ' ЭКССУДАЦИИ ЙД," ОСНОВЕ

шодл.шкотржк, |мпювнаэдс,у>!гп*-Ш'дктЕитот. и сооганищ.

0БРАТК00СМ01К^СКС2_Н02ЕЛ^ Регистрация мгновенных харак-

теристик мошт слуяеть методом сдрэдэлэшш осмотического давлэйия

пасоки в соответствие с выражение?,::

. - II -

i v*

п » п - v ■—г . СЮ)

X О Д Л* • !

с

где ¿ri* = п* - по, ду* " V - V".

Значение п »юиат быть иопольвоьаио для оценки тяичты vn^.

пропорциональной потоку осмотсчаскл активных ващоств ь пасоку, и

коэффициента Себкккиа '

V

К fi Г7Г ■>. * о

Кз сослю^екия с?) следуат, что при услоаиа о1 = сомьт. G = со^ат. изм&иоиия каэф^адааата к отражает иэхзнэкип хивраьличог.ко« проьо-димсати корня 1_0

Проница&мооть х-йакбрэш для растворенных вокротв исжот быть охарактеризована ноаффшиеэтом концентрирования пасоки х, которая сщмЕ&ляетзд из аксяэрихантвлыых даюшк согласно уравнениям (£> или сз) tJiajuùi, leaai

Кроив того проккцаакость к-кембраны мавио оцоаэть при помощи коаЗДициаита отражения'о'. Кснгакткмасе праблшюида обратвоосмоти-ч&ско* издали основано на том, что траасшрт растворенных-вещоота Чер«з х-мемЗрану сопракен с иоболывоа частью С1-<5> общего потока вода и пропарцканалоц ■ концентрации вйизств в сииплаот© и градиенту гидростатического давления кь х-меко^но, которая, в сйао очерэдь, равен п - nQ с Лялин, -10891 . При стих дапудонкях коэффициент отра-• нения d мошт быть рассчитан, исходя из формула:

п сп -п ) X4 X с'

1 - d * ---- (12)

п (п -п )

. с с о

Мошно также отметить, что пан постоянных значениях п л п иамене-

V п « ц

ни« С1 -о) пропорциональны изменениям —* , поскольку, учитавап

выражение (1), можно записать:

V п

= VVV - №поХ1 <«î

lin скольку поток V зависит от площади х-меморзны, величина которой неизвестна и сильно варьирует, у индивидуальных корней, буду- 12 -

чи вавкаикой эт размеров корярвои системы, на рисунках 3-7 я в таблицах кродоттюш дгатео ряэзгшых опытов, xopstzmpmn дчл всея серии,- в тебя,4 - отиосете-ипь-о вэхвзоаяя параметров V. Vn-,<, К. Укаапяшэ а таблицах экт-шкя ± оа:гачавт стандартную ож)ку. '

к-зульша " 'escysysoîs

ЭКСПЕРИМЕНТ ЛЛШАЙ ПГСЗНгЯА ОЕГЛЗКО&аЧОГЙЧЕЙЮС ТЕОРИЙ КСРСТОЗ ОКССУфШ

Уводачояо осмотического давления наружного раствора шэывз/.э быстрее дпух-J'ïsscP онани? скорости алач* корповых систем TUKsu с ишгккзлышм значенном (V'V через 10-30 с поолэ пача ■яа вездзйзтвкя. Ттагарл kraiOTjnw ебкзмдего потока пасоки при кра-тковрокенном (I м:га) погружении корня тыквы а растворы с повышай- • ным осмотическим давлением изображена огсжетоа липиеа на рис.З.

I.B3 ,3,15, йар

V,V?mkj с-1 © з,75

1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

-Т

V ,У.1'Л Q. 1

Гч

' 5 м;гн

Рис.З

О,Б 0,0 -С,5 -1,0 -Х.5 -2,0 -2,5

В'

п*,бар

Рис. I

Рио.З. Кипотжа объемного потока пасоки (V) при кратковременном

УБолкчошш ссмзтичэсксге давления парунлого раствора. Стрелки указывают момент изменения rrQ(О,G4 бар) до впачвния я*, указанных на рисунке. * j

Рис.4. Характер зависимости мгновенных У*-п*~харзкториатии в широком диапазоно значения п*,'

Зависимость V*' от п* (ипговошал у*-п*-хзрэвгориотикд), представленная на рис.З пунктирной липиоя, имела линейный характер В широком диапазона значения п*. Ода око, как показывает рис. 4, с

увеличением п* значений, близких к шэзмолитичоским, появляется

- 13 - •

точка дарегай.' Степень соответствия абсциссы стой течки значений п , подученному посредством криаоемометрического анализа корневого гомогвната, демонстрируют дашцщэ табл.З.

Точка пересечения мгновенной у*-п£-хэршсгеристкки с осью абсцисс соответствовала значению п^.полученному путем.криоосмокэтра-ческого анализа пасоки, собранной перед началом экспердаонта. В табл.1 оопсстазлоны значения п , определенные криоосмс.у.зтричэ.ски и рассчитанныз по формула (10), в трех сериях опытов с растениями тыквы, выравещага в разных условиях.

Таблица I. Значения п , получекаш двумя независимыми катодами

Вариант выращивания Криооскометрия пасо- СпределаЕ^з по форму-

ки, пх -г С,Сй бар ле СЮ) .п^ + 0,05 бар

2,35 2,40

2, Ср 2,00

■ 1,74" 1,75

I норма Кнопа ■ г.ьь . ' i.,53

(по = 0,64 бар) т 4. * 1,43

1,35 1,33 ■

т о 0 Л. , гл^ 1.24

1,19 . 1,20

1,02 1,02

1,аз . 1,53

3>20 нормы Кнопа 1,10 1,10

(по «= 0,03 бар) 1,08 I,G3

0,83 0,94

0,93 0,87

3,10 3,07

I норма Кнопа + 3,00 2,63

+ 0,040 М Ned . '2,05 2,£5

,(по» 2,48 бар) 2,88 2,82

' 2,?Б 2. ВО

2,60 з.ео

2,69 2,55

v

Близость значений п^, полученных двумя независимыми методами,

а также динешшй характер мгновенных у*-п*-характеристик свидоте-

-.14 -

льсгьуог о справедливости формулы СаЗинииа СО - одного из ключевых соотношение обратпосемотичйокоя концзлции.

Метод регистрации ктасвеннах у^-п^харакгвриотак бил попользован дкя аеалиаа параметров ксрновог зксоудации з течение переходного процесса, вызванного измененном п . На риз.5 кккзтикз сбь-емнлго потока Офивая 3) сопоставлена с юз:этикама осмо'пкссного давления пасоки, полученными двумя ноазвисододи способами: катодом регистрации ухисванних харшсгориаткк (расчет по формуле (Ю), кривая Т)-и крисосмоматричзским анализом пасоки (кривая 3).

Рис.5, Кинетика объемного потока (V) и осмотического д23-лвння пасоки (п^) при измене-, нии осмотического давления ка-румного раствора по от пот

да поз

I - опредэланпз пасоки по мгновенным характеристикам: 2'- криоосмс?гатркчо'ско0 определение пасоки: 3 - скорость плача. Стрелка указывает момент изменения осмотического давления наружного- раствора Как показывает кривая а, посла переноса корня з раствор с осмотическим давлением, равным осмотическому давление пасоки, сксау-дация останавливалась на очень коротка период времени, а-затем возрастала и устанавливалась на новом уровне; причем кинетика потока ' коррелировала о кинетикой осмотического давлония пасоки, рассчитанной по формуле С10>. Расхождение между кривыми I и 2, на наш взгляд, связгпо с тем, что метод регистрации-мгновенных характеристик плача позволяет определить осмотическое давление копленного сака, находящегося непосредственна в' окончаниях ксндймшйс сосудов корня. От ксилемных окончании до среза пенька пасока доходит обычно за несколько минут (при низкой интенсивности плача - за несколько часов), чем, вероятно, и Объясняется запаздаванио кинетики п^, полученной методом нриоосмоматрйческого анализа пасоки.

- 15 - •

У.мкл о"1 пя.^рР

0,4 г

0.2

о,а

50 юа 1Б0 Время, нин

- Стя^пкарна* низ-

ченил скоро Ли. плача устанавливались у крряуя трод чомз g. и „узе MisiyT. шало юмэйеюгл ссмотичогкссс дям&тт лягукп:;то рэ^тео-ра. Из рис, G преДотввлехш результата спыга, в которой ссмгшпрскср давление» корлаобитзомсго рветаорз гюодрдовзтгьно в эта»

повышали от п » 0,54 бар (раствор Клопа, точка А) да i.es - г.48. - 3,15 --3,76 бэр {рис,03), а рзгем снижали п ойрзгиой пс'.'-гопом-тедьиости (ркс.бб). в кондом стационарно» соетояйик f^готгргрэг-г»ли мгновенные у*-п£-харзктериотгата, по которым определяли гагтшя п^ согласно <10). ' *

V,VX,M!U с 1 0,5

0,0

-0,5

-1,0

.-1,5

\

I \й"

Л VS'^?

Рис.6, огоциоиариыэ v-n -вашюммости и'лшгсмшя vx-n*-характеристики, полученные па одном обкисге при последовзтольном ступенчатом увеличении (и) И укзцывоива (б) осмотического давлоиилнаружного раствора. А и Б - точки исходинх эначокия параметров.

Как показывает риа.6, зависимость' стационарных значения скорости плача от осмотического давления наружного раствора нелинж-на. С увеличенной п^ наблюдается нэкотороо сплютю утлз наклона мгновенных V*-n*-xapairrepK<!Tiac - эффект, установленный pauso на отсеченных корневых системах томатов [ Araez ет al, 19511.

Для изучения зависимости п^ от.п и п в стационарных состояниях плача проводили опыты о корнями растения, шращошшх на 1н . и ЗУйОн растворах .Клопа по схеме рис.6а, или с корнями растении, ш-

ращоных на.повывонном фоне n»ci, по схеме рис.66. Результата сд-

- 16 -

лого в» uí-tus i:}ui;cici)i;jjiiu » тайл.Л. расгеаш üJxa ицралтео на pow'iSUJ» K!f£,KJ (Г - 0,64 Пар), Kp»íS0CM0MeTpi»4s)CK08 С1Кв;Ч)Л8ШИ цасски ь ничs.;:d orara (точка А) дало вначошк». 1,Я2 бар, анализ го-Moi'wi«r¿ i'.-'и'л шолэ Експирп/дапта показал л » 5,7 бар. Кз отас ззачошм по ■¡орму.о.'м (а) к (3) рассчитаны еодичикы >. « 0,105 и к - 0,141. S<«ra?№¿nr состоял в тем, что' осмотаязсксо лаачеиив .napyiwicrt-ü ¡xcvfecpa увеличивали в 1-1 прммг.ов от 0.С4 до 3.95 бар. Задйьасмш »а?чо«кя п привэдояи в та£л.2. lía ослсво заэчь^з х и >*, :го С4били раоачигапм величины г, как функции г. , tskw» предетваитпи» и табл.3.

Табл.2. СраввбШй .вкздарикоатальних и теоретических аначонна п Растениэ вырэаоно на раотворо Киопв (п0 - 0,54 сэр, п • «Т ,22 Сар, г. «• 6,7 Сар, X. - O.IS5 <2j»'-V" 0,161 3аР С3> >.

О- tísP ■

таюру.уз йгХййбё " иначйвко расчет по (5) расчот по <б)

0.76 I.5E ' 1.354 .1,343

1,С;Й 1,43 1,5.3а 1,518

1,2? i,m 1,704 I.G8I

1,40 1,85 1,832 .' I ,847

1,7.3 2,08 2.С57 2,042

T.AÍ7 2,26 2,253 2,223

2,23 3.48 2.472 2,457

2,45 3,64 • 2, GQI 2,84?

2,64 2,84 2,323 . 2,315

2,Ь7 . 3,13 3,123 3,111

'3.20 3,31 3,33.2 3,321

3,42 з,ьз 3,534 3,524

3,70. 3,77 3,703 3,733

3,95 4,СО 4,037 4,020

Как шкайываюг дэашэ табл.3, теоретические оначоння п близки к зкелоримвнтально определенным. Из сравнения значэний, полученных no (Ai-cm, ввдно» что зависимость осмотического давления иасоки от'осмотичаокогь давления корнооботаомого раствора можот • йыгь в равноа стопони огмеана как на основа диффузионного, так и контокгшшого приблтконш обратпоосмотичоскса модели.

- 17 -

В рассмотренном подходе величины х и х ргссчитывали, используя значения осмотического давлэлия содорюиого «»¡пласта, порученные нриоосмомотричвска. Построение на основе зкспоримзнталышх точек зависимостей I от г,^ и I а от п позволяет согласно СО) и С9) вычисллгь х г.с независимым способом (са. рис.26).

1а,бар~

пх,бар

Рис.7. Зависимо сти'I _ от п (э)

V» X

И п0 (б)

I- соответствует (8) при х. -3,185 И п =-5,7! 2- соответствует (8) при'X =0,161 и пс» 6,7. Пунктирной лизшеж показана взвкси'ость, 3 полученная методом наимэаьаих ■0,бар ¡саддрахсп.

Тазл.з. Значения п (бар), полученные тремя независимыми катодами

Вариант Кризосмо- Шсстрешляшш' Криоосмо- Точка перегиба

выращивания 'МВТрГЛ прямая метрия вависихости

г СП05 7 г сгъ 5

.......... 6,7 5,7 + 0,3 6,5 Б 5 4- .0,3

I норма 5,3 .5,1 + 0,4' 5,1 к 0 + 0,3

Кнопа ' Б,1 6,0 0,2 Б,0 5 0 н- 0,4

6,0 4,0 + 0,3 4,5 4 ** + а,4

5,0 Б.О 0,4 4,3 4 2 + 0,2

■4,2 • 4,3 + 0(2

1^20 норма 3,0 3,9 + 0,1

Кноаа 3,5 3,6 + 0,3

I норма 6,2 Б,4 + 0(3

Кнопа + . 5,0 . 5,1 0;'Г

+ 0,040 М 4,4 . 4,4 0,4

МаС1 4,3 4.Й + 0,2

На рис.7 приведены зависимости, полученные по результатам опытов, представленных В табл.2. Пунктирные лишя на рлсукко соответствуют зааисимостдч, опредолонгшш по оксгоркмонтальнш точкам методом наименьших квадратов, сшошгые линии I и 2 - теоретическим прга;ым, построенным по формулам С8) и (9) соответственно, исходя из вксло-раметальных вначеша п , х и х . Кз рисунка видно, что вкс.пори-

ментально полученные зависимости близки к теоретическим, причем степень совпадения экспериментальна полученных и теоретических зависимостей оказалась несколько выше в случае конвективного приближения (рис.76) обратноосмотическоя модели. -

В табл.3 приведены значения п , полученные в 13 аналогичных опытах. Соответствие значения п , определенных двумя независимыми методами: криоссмсметрически и окстраполяципя прямой ¡с- -

- позволяет заключить, что обратяоосмотическая модель но только предсказывает новые закономерности, на и дает возможность определить величину п , не прибегая к разрушению корня.

АНАЛИЗ" МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОРНЕВОЙ ЭКССУДАЦИИ

С увеличением температуры ксрнеобитаемого раствора (в интервале 6-40^ С) значения параметров плача: V, п . к,- возрастали, а величина коэффициента отражения С?, напротив, снижалась. Поскольку значение коэффициента 010 не превосходило 2, Можно полагать, что температурная зависимость плача в наших экспериментах имела в основном физическую природу и обусловлена, преимущественно, изменением проницаемости мембран корня к растворенным веществам.

в условиях гипоксии происходило сильное снижение скорости плача. Б течение первых 30 мин зтот процэсс сопровождался уменьшением осмотической движущей силы. Так как гидравлическая проводамость корня (коэффициент Саби- ' нина К) и коэффициент отражения О? в зтот период реакции оставались постоянными, можно предположить, что падение значения пх~п0 происходило вследствие подавления энергозависимого переноса вешэств в ламу. При более продолжительном действии гишксии подавление плача было связано со значительным снижением проводимости корня как дт вода, так и для растворенных веществ.

^_Ш£АШ1!Ы_ПЛАЧА Ингибитор белкового синтеза - цикла г щ к с им ид в концентрации КГ6- ИГ4 М вызывал

- 10 -

падение схорсста плача в Я - 4 раза ушэ через 1,5 - Я ч после начала воздействия. Затек вкесудадая продолжала снижаться и. через, супси практически прекращалась. Эта реакция была Сходна с рогкци-яии ка длительную гипоксию.и инЬйэторы йнвргэтического обмена, так как сопровождалась снижением проводимости корня как для вода, так и ахя расТЕсрвШШ веществ, far в меньших концентрациях (Ю~7~

п

б 10 М) но вызывал заметКЬго уменьшения Потока пасоки по сравнению с контролем, но вызывал падение п.через сутки после начала воздействия, при этом коэффициента к и о' Возрастали. Мояао предположит ь, что в этом Случае проявляется специфическая реакция, связанная о инги5ировай.й9М синтеза СэДка и, как следствием этого, со снижением Числа каналов в Плазматических мембранах (в том числе в *-мембране), Приводящим к уменьшению выхода о.смотичоски шегизных веществ в апепласт стели и сосуда кскЛемьь

ВЛИЯНИЕ ШЩИНА И АБК НА ПАРАМЕГШ; КОРКЕГШ ЭХСОУДАЦГОС Б течение первого часа как АБК (10"? Ю-4 М), так и'кинеткн (10~"Ч 1СГ? iCP5 М) вызывал!! Достоверное увеличение потока, после максимума происходило Монотонное снимание скорости плача, суточная ритмика исчезала. Прйнцймальйые paaJCi4itn в действии фитогормонсв позволил йыяаиТЬ лишь анализ отдельных паракетров плача, показавших i что стИму^Йрующий аффект АБК определяется в основном увеличением гидравличо скса проводимости корня при относительном постоянстве В Противоположность.этому кияэтил, практически не влияя на коэффициент К* увеличивал-уп . При этом в случае АБК стимуляция обьемйого Сотойа сопровачдалось увеличением d, а в случае кинетйна - его сйиКенйем (Табл.4);

Через 34 ч йаблюдзлось сильное ингибирование скорости шэчя

(за исключзнком опыта с Ю-11 М кинетийа). Это иягибирование было

Связано как da сшйгаяиэм К, так и со снижением vn^, однако и здесь

моншо отметить различия в эффектах АБК и кинетина, выражающееся в

неодинаков стегани снижения этих показателей, что отчетливо проело -

- 20 -

V п

(таится пьи сопостзаяэдаад • отнощация —* : б случае АБК оно попы

К

шалось,- при действии кинетика иабдюдагаоь протявопслсшия закономерность. Соответственно коаффищент отражения о'' скшался в случае АЕК и возрастал в случае юшетина ■ (табл.4). Таким образом, при ин-гибированки киркавой экссудации АВК подавляет транспорт вода больше, чем растазрвшла ьоцости, а юоютик, напротив, а Зользоя степени шдаьд»т транспорт растворвшла нацисте.'

Табл. 41 Ноиоьопио параметров экссудации отделении* корней тыкру при действии Ю"6 М АБК и 1СГа К кинатина

Действу- фК- Бремя откачала ............................. * Огаоскгвдьзьа болотины К бар П , X п . с

тогормок действия фитогормона, ч V л -п X о 1 1 уп X й бар2 бар

АБК 0 I I ¡1 .. I 0,51 1.70 1.9

I 1,45 0,51 ,3,03 0,95 ■ 0,07 0,64 1.1 4,6

24 0,23 '1,71 10,14 о,зз 0,77 4,25 2,4

Кинетки 0 I X 1х i а,оа 1,5

0,5 1,33 1.3Й ¡1.Ш 1,00 0,87 2.30 Г, 8 4,4

0,30 0,77 10,3© 0,26 0,55 0,66 :,з

* За I принята соответствующая величина в начало опыта.

Сравнение реаультатсв действия разных концентрация фитогормо-ноа указывает на существование концентрационная оависимости Фито-гормов-икдуцируемьж реакция: первая фаза реакции - стимуляция плача- наиболее щр&чаиа- при низких концентрациях фитогормонов, а при высоких концентрациях К АБК, 10"^ Н киветана) объемный поток

усиливался пойначдаолыю и кратковременно; степень мнгиЗированмя плача кинетинсм во второй фаза реакции была тем выше, чей больше содержание Фвтогормона з среде,

Наличие концентрационной зависимости в действии фитогормснов позволяет, вероятно, объяснить и двухфазность наблюдаемых реакция, Можно прэдоолоь'шъ, что даже при использовании относительно высоких концентрация фитогормоноа в начальный период обработки их.концентрация в ткани у х-мембраны незначительна, и прояаяяется сти-

- 21 -

мулирувдос'действие фитогормонсв на скорость плача. С увеличением концентрации фитогормонов в симплзсте корня, вероятно, начинают проявляться и нарастать их "песпецифичвские" ингибирущив эффекты.

Таким образом, природа стимуляции плача под действием ЛБК и кинетина качественно различна: в случае ЛБК усиление плача связано с увеличением гидравлической проводимости корня (х-мембраны), а в случае кинетина - с усилением штока растворенных веществ через х-мембрзну.

Гораздо труднее найти объяснение второй фазе реакции - фазе неизбирательного ингибирования, когда и АБК, и кшетин сильно снижают проводимость х-мембраны как для вода, так и для осмотически ективных веществ. Сходная реакция наблюдалась нами при длительном Яэйствки гипоксии. И высокой Доза ЦТ. Вероятно, общее снижение проводимости корня может быть квалифицировано как неспецифическая реакция на.сверхсильное воздействие. На наш взгляд, может оказаться продуктивной следующая гипотеза £ Лялин,1993) : снижение проводимости связано о закрыванием плазмодясм и, следовательно, с резким уменьшением аффективной пледа да х-мембраны корня.

ВЫВОДЫ,

1. Проведена эксшриментальная проверка обратноосмотической теории корневой окссудэции, в ходе которой установлено:

1) увеличение осмотического давления корнеобигаемого раствора вызывает у отсеченных Корней тыквы двухфазное изменение скорости плача: минимальное (мгновенное, V*) значение объемного потока развивается через 10-30 с, а новое стационарное значение V - через 5 и более мин после смены раствора;

2) зависимость мгновенных значений скорости плача от осмотического давления корнеобитаемого раствора, полученнэя при кратковременной (до I мин) погружении корня тыквы в растворы с повышенным осмотическим давлением (мгновенная у*~п*-хара1ггеристика) линейна в диапазоне доплазмолитических значений осмотического дав-

• - 22 -

ления наружного раствора;

3) при регистрации мгновенных значений скорости плача в растворах с осмотическим давлением, близким к плазмолитичоскоыу, в мгновенной у*-п*-характористиюэ проявляется точка перегиба, абсцис са которой достоверно соответствует значению осмотического давления содержимого сишлэста, полученному путем криооомсметрии корневого гсмогената;

4) точка пересечения мгновенной \,'*--п*-характеристики плача с осью абсцисс достоверно соответствует значению осмотического давления пасоки, получанному методом криоосиометркческого анализа ксилемного экссудата;

5) зависимость стационарных значений скорости плача от осмотического давления корнеобитаемого раствора нелинейна; основной причиной этого является нелинейность зависимости стационарных значения осмотического давления пасоки и осмотической движущей силы от осмотического давления ксрнеобэтаемого раствора;

в) творвтическиа значения осмотического давлэния пасоки и ссдэрлимаго симпдаста, рассчитанша по соотношениям обратпоосиоти-ч&сксй теории, достоверно соответствуют экспериментально ■ определенным; сгошнь соответствия нисколько вита в случае ковввкгадеого ПрйЗлЙЯйНИЯ .модели; ;

Провздэнныа анализ игновешил характеристик' и стационарных пзрамэт ров корневой окссудацяи приводит к заключению, что корзнь растения в сбоях случаях ведет себя подобно осмометру, Поведение которого может быть описано формулой Сабинина, при атом в первой случае значений осмотического давления пасоки остается постоянным, а во втором - определяется соотношениями обратноосмотичэскоа модели. 2. О позиции обратнсоемотической теории прошден анализ некоторых аспектов метаболической зависимости корневой зкссудации, в ходе которого установлено:

I) между температурой корнеобитаемсго раствора (в интервале - 23 -

б-4Н° С) и значениями основных параметров плача'(V, Пх, к) существует положительная корреляция с коэффициентом <310 » 1,6-2,0-, • значение коэффициента .Отражения о1 корня с ростом температуры последовательно ^уменьшается;

2) в условиях гипоксии проиоходат оильное «питание скорости плача; падание скорости плача в первой фазе является ро'зультато?л снижения потока растворенных веществ в ксилему, вероятнее всег.о, вследствие подавления энергбзавиСимого активного транспорта, а во второй фазе - результатом значительного снижения проводимости корня как для водь), Так и Для рзогвореяных веществ;"

3) реакция Корня йа итиЗитор белкового синтеза - цшслогекси-мид - зависят от. концентрации ингибитора в наружном растворе : ЩГ

. Ц0~6-10""4 Н) подавляет Корневую экссудацию, уменьшая как гидравлическую проводимость корня, так и поток растворенных веществ В ксилему;. ЦТ (10"7-5 Ю-7 М)'нэ оказывает заметного влияния на

скорость плача; но снижает поток осмотически активных веществ в

■ *

ксилему)

4) реакций корня на вкзогеиные кинетин <10-11-10~6 М) и АЕК (1СГ8-1СГ4 М) имеют двухфазный характер; первая фаза - стимуляция плача - связана о увеличением гидравлической проводимости в случае ЛБК или с увеличешюм потока осмотичски активных веществ в случае ккнэгина; вторая фаза - иютбирование плача, - при действии обоих. . фитогормоноа связана О уменьшением гидравлической проводимости корня и со сниженном потока растворенных веществ, в ксилему;

Б) фаза нвизбираТелыюго ингибирования плача экзогенными киве-тином и АБК аналогична реакциям корня на длительную гипоксию, высокие концентрации ЦТ и, очевидно, может быть квалифицирована как неспецифическая реакций корня, на неблагоприятное' воздействие. Предлагается гипотеза> согласно которой причиной ингибирования шача является закрывание плазмодэсм й резкое уменьшение эффективной площади внутренней мембраны корня (х-мембраны).

- 24

Список работ, опубликованных: ш материалам Диссертации:

I. Лукоянсва С.А. Анализ'параметров корневой акссудации при раз-литчисм осмотическом давлении ко^необигаемого- раствора ✓✓ Бед*, науч. трудов Агрофизического НЖ: - 1089 .- Т.75 - С.7-12.

2. Лялин 0.0., Лукоянова С.А. 0 корневой системе как осмотическом аппарате: развитие идоа Д.А. СЗбинииэ Физиология растений.-

-- ic89 - т.38, i;5 -.0.880-870. ' "

3. Лукоянсва С. А. Биофизические ocimau корневой экссудация Сборник научных трудов AMI. - Л., 1930. С.45-71.

4.Лукоянова П.А., Лялин 0.0. Экспериментальная проверка обратно-осмотической. теории корневой экссудации ✓✓ Тез. докл.. Второго съезда Всесоюзного общества физиологов растений > Минск, 24-20 сентября 1080 г. - Т.2 - Ы.. 1992 - C.I2X.,

5. LUkoyahova 8.А.. Lvalin 0.0. On 'the root sVstem as an osmotic apparatus // Root есосооу дно па practical application - Abstracts - ISRR - 3. Symposium, Vienna - September E-G, 1931 - P.75.

6. Lukovanova S.A. Lyauh 00. On the root system as an osmotic

apparatus: the use of xylem exudation instantaneous characteristics to 8tu0v root kesponats to ' some unfavourable influences //

Root ecology and из practical applications. 3. ISSR Svmp. Wien, Univ. Bodenkui tur, 1991. LKutchera et al. (£Ds.> - 1992 - Verein ruii Wurzelforschumq. A-902Q Klaoenfurt - Р.34-9-35Й. '

7. Лялин 0.0. , Лукоянсва. С.А. Влипню юшетина и АБК на параметры корневой экссудации //'Физиология растений". - 1993 - Г.40,N3 -

- С. 408-413.

В'ЛР.Зак.ЗОб.ТирЛСО. Ib.C9.95..