Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

АДАПТАЦИЯ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ И РОСТ КОРНЯ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "АДАПТАЦИЯ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ И РОСТ КОРНЯ"

Щ-2$Щ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

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

На правах рукописи РОДЧЕНКО Октябрина Павловна

УДК 581.143:581.43+58.035

АДАПТАЦИЯ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ И РОСТ КОРНЯ

03.00.12 — физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА-1987

- •ес'&^---;р^:&£у£с&/

Работа выполнена в Сибирском институте физиологии и биохимии растений СО АН СССР.

Официальные оппоненты—доктор биологических наук, академик ВАСХНИЛ СШевелуха, доктор биологических наук, профессор В. И. Кефели, доктор биологических наук, старший научный сотрудник М. М. Тюрина.

Ведущее учреждение — Сибирский научно-исследовательский институт растениеводства и селекции СО ВАСХНИЛ.

Защита диссертации состоится « л > л6л-лдл$-$.. .

1987 г.в «7с?» час. на заседании Специализированного совета .Д 120.35.07 при Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Адрес: 127550, Москва, И-550, Тимирязевская ул., 49, корпус 8. Ученый совет ТСХА. _

Автореферат разослан

«

Ученый секретарь Специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание сортов, сочетающих высокую экологическую устойчивость и продуктивность, предполагает знание генетически обусловленной реакции растения на неблагоприятные воздействия и невозможно без методов диагностики устойчивости к факторам, лимитирующим получение устойчивых урожаев. Среди этих факторов едва ли не первое место занимают низкие положительные температуры в период прорастания семян и резкие снижения температуры до отрицательных значений в период активной вегетации — весенние и осенние заморозки. Соединить; в сорте устойчивость к этим воздействиям и достаточно высокую продуктивность трудно. Успех селекции на всех" этапах определяется выбором критериев оценки устойчивости к. низким температурам. Наиболее чувствительным интегральным показателем, тонко реагирующим на изменение условий выращивания, является рост. В ростовых реакциях аккумулируются все изменения в обмене, структурах и функциях, происходящие" под влиянием низких температур. Генетически обусловленные различия в размерах, массе, архитектонике растений связаны с различиями в ростовых процессах,,' с активностью апикальных меристем растений в изменяющихся условиях среды. Известно, что прорастание семени подавляющего числа видов начинается с роста корня, и его темпы в Сибири и других регионах с низкотемпературными условиями определяют последующий рост надземной массы и продуктивность растения. Она прямо зависит от того, как быстро сформируется проводящая система корня и получат развитие регуляторные центры — области синтеза фитогормонов. Таким образом, изучение роста корня в условиях низких температур в процессе реализации наследственной информации в конкретный фенотип, определение* адаптационных механизмов, характеризующих устойчивость растений, должно стать основой создания методов диагностики и представляется; важной задачей, отвечающей требованиям растениеводства.-;

Рост корня в оптимальных температурных условиях изучен достаточно подробно (Браун и др., 1955; Burstrom,- 1956,

А-?£ЛЧЧ

1957, 1971; Иванов, 1972, 1974; Данилова, 1974; Эзау, 1980). Выполнен цикл работ в Московском государственном университете (Саламатова, 1964; Обручева, 1965). Менее изучен рост корня в условиях низких температур (Wimber, 1966; Torre, 1971; Brown, 1951, 1963; Clowes, Stewart, 1961; и др.). В работах В. Г. Грифа и Е.М. Валович (Гриф, Валович, 1973; Гриф, 1981) уточнено определение «минимальной'или пороговой» температуры деления клеток и даны определения двух других критических температур — «затухания митозов» и «блокирования деления». Сортовые особенности роста корня в условиях низких температур почти не изучены. Такие работы единичны, и в них не рассматриваются изменения процессов, определяющих увеличение массы растения — деление клеток,.переход их к растяжению, само растяжение, а также первичные механизмы этих процессов. Поэтому изучение адаптивных реакций клеток корня на низкие температуры представляло несомненный, интерес, для- оценки. потенциальных возможностей растения. ----------------------

Цель и основные задачи работы. Основная цель, исследования— определить, как изменяется, реализация программы становления специфических функций корня при. действии низких температур, выявить особенности адаптивных реакций; . обусловливающих сортовые различия • резистентности.; к холоду,,найти.пути оценки этих различии для использования в селекции.

Конкретные.задачи работы предполагали изучение в условиях низких температур:

— скорости роста корня и процессов, его составляющих: деления, перехода к растяжению, растяжения;

— гомеостаза апикальной меристемы корня при снижении температуры/ изменение размеров пролиферативного пула, длительность мптотического цикла и его фаз, сохранение объемов меристемы;

— биогенеза оболочек клеток на последовательных этапах их роста: изменение полисахаридного состава, процесса лиг-нификации ив связи с последним — метаболизма предшественников лигнина и активности ферментов, участвующих в его полимеризации;

— изменений в белковом обмене, дыхании и фосфорном обмене,.обусловленных действием низкой температуры;

— взаимообусловленности темпов роста корня и устойчи-вости.растений в.широком диапазоне температур".

В.задачу исследования входило также определение воз-. можности использования в селекции ростовой реакции первичного корня как критерия устойчивости растений при снижении температуры,

Научная.новизна работы. Показаны особенности р.еализа-

о

ции программы'морфогенеза корня растений сортов различной холодоустойчивости при снижении температуры. Впервые раскрыто содержание адаптивных реакций растущих клеток корня, обеспечивающих устойчивость растений в резко изменяющихся температурных условиях..Особенности реакции растений на резкое снижение температуры наиболее отчетливо проявляются в процессе роста, в процессе новообразования структур. Оптимальной моделью для селекции на устойчивость могут быть клетки на разных фазах роста, растущие органы. Продолжительность фазы растяжения клеток корня в условиях низких температур впервые использована как качественная характеристика устойчивости растений.

Впервые показано, что для устойчивых к. низким температурам растений характерно сокращение фазы растяжения и приближения дифференцированных клеток к апексу корня; показаны различия в процессах растяжения и дифференци-ровки не только растений различной устойчивости, но и в клетках одного сорта, подвергнутых действию низкой температуры до перехода к растяжению или после этого момента. Выявлено, что у растений устойчивого к низкой температуре сорта зона растягивающихся клеток сокращается по длине корня, оболочки клеток этой зоны более сигнифицированы, что сопряжено со снижением интенсивности дыхания, увеличением доли пентозофосфатного пути окисления глюкозы. Направленность обмена фенолкарбоновых кислот смещается в сторону биосинтеза лигнина.

Показано, что у растений неустойчивого сорта в условиях низких температур значительно увеличивается время растяжения, дифференцированные клетки отдаляются от кончика корня. Интенсивность дыхания резко возрастает, направленность обмена фенолкарбоновых кислот смещена в сторону образования растворимых эфиров.

Впервые установлено, что кроме указанных изменений в обмене и морфогенезе определенную роль в устойчивости растений играют такие элементы гомеостаза клеточной популяции меристемы корня: степень сохранения стационарности роста при снижении температуры; степень гетерогенности клеток апикальной меристемы по продолжительности мито-тического цикла; темпы восстановления меристемы после снятия действия низких температур.

Определение реакции клеток корня на действие температуры стало возможным благодаря тому, что была разработана и впервые использована схема опытов, позволяющая оценить реакцию клетки на дейсхвие низкой температуры, исключая изменения, которые накладывает осуществление программы онтогенеза. Для этого в качестве масштаба «биологического времени» было принято время роста клетки растя-

ж-ениеЦ, что<дало возможность сравнивать, клетки.равнознач-ные- по физиологическому состоянию, но в связи с изменением скорости!роста.при снижении температуры, имеющие различный! календарный, возраст: -

Практическая, значимость работы. Изучение приспособительных. реакций, в период: становления функций: корня при. переходе ог гетеротрофного, к автотрофному питанию позволило создать методы диагностики устойчивости растений к. низким: температурам и метод, оценки гомеостатичности. На. методы получены шесть авторских свидетельств, в том чисг - № 615899, опубл. 27.07.78> Бюлл. № 27;, №854330, опубл. 15.08.81,. Бюлл. № 30; №1209097, .опубл. 07.02.86, Бюлл. № 51. Методы: позволяют оценить все составляющие устойчивости; устойчивость в. первые моменты действия температуры' (по степени, ингнбирования роста делением);, степень адаптации; па< продолжительности растяжения, и степени: сформированное^ клеточной- оболочки);, уровень репарационных; возможностей: растений - (по темпам- восстановления, скорости! роста* в?оптимальных, условиях после- действия низких; температур);. Предложенные способы: диагностики просты Ве применении; надежны, не требуют, сложного оборудованиял могут: быть использованы на любом этапе селекционного про» цесса; при ограниченном количестве материала и, для уточнения- сортового районирования. Методы используются в ряде селекционных учреждений. Предложена схема оценки селекционного материала на устойчивость к. низким температурам, включающаяс разработанные методы.

Апробация- работы. Материалы диссертации доложены: на-Всесоюзной конференции «Физиология приспособления и-устайчивости:растеннй при интродукции» (Новосибирск,. 1966);, на> конференции по физиологии; устойчивости растений (Киев, 1968); на Всесоюзной конференции, по мерзлотным почвам? (Якутск, 1.969);;: на, 2-м- Всесоюзном: симпозиуме «Физиологические основы! устойчивости, растений к заморозкам и пониженным температурам» (Петрозаводск, 1971); на. Всесоюзном. симпозиуме «Физиологические основы устойчивости растений. к. заморозкам и пониженным; температурам» (Ир-кутек* 157.1)-;. на; Шк чтениях: памяти М. Г. Попова (Иркутск,, 1972);; на симпозиуме «Физиологические и биохимические проблемы семеноведения и семеноводства» (Иркутск,, 1972); на: совещании «Методы оценки устойчивости растений: к. неблагоприятным условиям среды» (Ленинград, 1973);. на Всесоюзном- совещании «Физнолого-биохнмические И экологические: аспекта, устойчивости, растений: к неблагоприятным факторам* внешней'среды»-(Иркутск, 1976);. на VI,. УИ,,Х, ХЬ Всесоюзных. симпозиумах «Биологические проблемы Севера»» (,Яку-т,ск> 1974; Петрозаводск, 1976; Магадан, 1983;. Якутск,.

'1986); на 2-м Международном 'симпозиуме?" «Структура .и 'функция корня» /(Братислава, 1980); на 'Всесоюзной конференции -«Проблемы'и -пути повышения'устойчивостилрастений "кболезням и экстремальным условиям среды в ;связи с зада. чами селекции» (Ленинград, 1981); на,региональном совеща-шии <Шовышение устойчивости !растений «клнизким-темпера-туерам» (Днепропетровск, И982); на (Всесоюзной?конференцин -«Физиология устойчивости к неблагоприятным факторам <сре-ды'-и продуктивностырастений» (Иркутск,; 1984); на,2-м Всесоюзном совещании ЛФизиолаго-Шюхимические основы иовы'. • шения продуктйвнастижукурузы» (Днепропетровск, 1.984).; -на 'Всесоюзном симпозиуме «Физиолого- биохимические меха-шизмы 'регуляции /адаптивных Лреакций лрастений и агрофито-.ценозов» '(Кишинев, и!984); .на заседании лКруглого >стола •«•Гормональная :регуляция, .рост и устойчивость» >(Иркутск, 4986). ,„ ♦. . -у>. • . ..- - •:-.••-!' -.,...-..= : .

А ЛМатериалы Лдиссертации .использованы,-'при чтении спецкурса -«Физиология; устойчивости-растений» в Иркутском : 1(1970—1985 гг,)'.'.и, Кемеровском, ,(1977—1.983 тг,) университетах. '-.-.'.П "%:;Л*?»-""-*\ -V" -~ .-"*>-:Л"*-' *-.. 1-г» ,;.;} -Публикации. Л-По-материалам.диссертации .опубликовано ♦более 50|работ,?Ыа;методы.диагностики устойчивости подуче-, шо'б.авторских.свидетельств. .. .-;.;,«".'.*/{;,

,., Структурам и Побьем лработы. .Диссертация изложена на .372 .страшщах'машйнописного .текста, 'состоит , из.введения, ' 1 глав, .заключения и 'выводов, .списка Лцитируемой -литерату-.ры, .включающего-659 -наименований, /в~т.ом числе .182 иност-, '.ранных. .Иллюстративны'й материал содержит, 47-.рисунков и 54 таблицы. ' * '•:-..• " -.',."„*"'* \-'!.'•.-..

Г '5Объекть1;и методы исследовании ' '"

.'В качестве основной'.модели для изучения, ;роста в*.усло-виях 'низких .температур был использованЛзародышевый "корень .растении'различной Устойчивости Лк'.низким температурам. Особенности лструктурной организаций корня .дают; воз--"можность*наблюдать;действие низкой температуры на клетку Лво'все "фазьг.роста'" при 'сохранении межклеточных взанмо-*. действий..'Исследование, проведено погсхем'е, позволяющей сравнивать'одновозрастные; клетки, что давало'возможность судить об изменениях; "происходящих в самих ,растениях'во ; времени.*Изучение~реакции на температуру проведено в.различных режимах ее действия.'-* Особенно, эффективной ''была оценка Лнеобходимого/показателя прифезкой-смене температур. .Объектом Исследования «служили с2—2,5-суточные.про-; ростки ;растЕний,.(КОт.арые.. -экспонир~овали "-затем ;в '.условиях оптималБных;;(20-г27!С) гили низкихг(6—П2°-0) температур,

отметив предварительно несмываемой тушью зоны меристемы ♦ и растяжения. Продолжительность экспозиции в условиях тех или иных температур определялась временем от, момента перехода клетки к растяжению до завершения увеличения размеров ее в длину (рис. 1). , v ♦. Изменения. в анатомическом строении корня изучали на постоянных препаратах после фиксации материала по Бродскому и смесью Карнуа, заливки тканей в; парафин по обычной методике. Окраску производили гематоксилином по Гей-денгайну (Дженсен, 1963; Паушева, 1970) и галлоцианином с хромовыми квасцами по Эйнарсону. (Пирс, 1962). На постоянных препаратах были определены размеры клеток, границы зон, митотический индекс. Границы зон определяли также на давленых препаратах, окрашенных ацетокармином, а размеры клеток—на временных, срезах, сделанных от руки и окрашенных нейтральным красным. • . . *

Через определенное время экспозиции при низкой темпе- " ратуре дополнительно выделяли 'зону клеток, перешедших к растяжению уже в условиях низких температур. На рисунке 1 эта зона отмечена «б» — начало растяжения. В дальнейшем классификация зон роста будет следующей: М — меристема, HP — зона,'клетки, в которой перешли к растяжению во время экспозиции в условиях опыта; КР "«—зона, клетки в которой начали растяжение до начала и закончили его во время опыта. Материал обычно был ранжирован по скорости роста в оптимальных условиях, для опыта брали субпопуляцию, достаточно однородную по скорости роста в оптимальных условиях, составляющую . большую часть популяции (более 50%).

В основном в исследованиях использованы, первичные корни двух сортов*и гибрида кукурузы" (Zea mays L.), двух сортов огурца (Cucumis sativus L), различающиеся по степени холодостойкости. Сорта кукурузы: Омская 2 — высокоустойчивый, раннеспелый сорт селекции СибНИИСХОЗа, тибрит, Буковинский 3 (Глория ЯнецкогоХВИР 44) — среднеустой-чивый, среднеспелый; Узбекская зубовидная — неустойчивый, очень "позднеспелый сорт кукурузы селекции Среднеазиат: ской опытной станции ВИР. Сорта огурца: Алтайский ранний .166.— холодостойкий, скороспелый для открытого грунта, селекции Западно-Сибирской овощной опытной станции; Алма-Атинский 1 — среднеустойчивый, среднеспелый для закрытого грунта: "

Скорость роста корня в зависимости от температуры оценивали по изменению длины корня, размеров и числа=клеток в отмеченных участках, накоплению сырой и сухой массы клеток. Определение скорости образования и скорости пере-

С

хода клеток к растяжению проводили по .методу Брауна (Brown, 1951).

" Определение продолжительности митотического цикла н его фаз, размеров пролиферативного пула проводили радиоавтографическим методом с использованием ЗН-тимидина. Временные параметры митотического цикла определяли графическим методом Квастлера и Шермана (Quastler, Sherman, 1959) но 50%-му уровню кривых меченых митозов. Пролифе-ративный пул определяли методом Клауза .(Clowes, 1971).

Оценку холодостойкости клеток корня кукурузы и огурца проводили по минимальнойЛ температуре, останавливающей движение цитоплазмы (Александров, 1975) н)по степени восстановления скорости роста корня после охлаждения, в отдельных случаях по числу, выживших растений после охлаждения до минусовых температур. Охлаждение проростков проводили в микрохолодильнике ТЛМ-1-3.

Степень сформированное™ клеточной оболочки оценивали но содержанию целлюлозы, нецеллюлозных полисахари-дов-ксилоглюканов и арабиногалактанов: (гемицеллюлозы), полисахаридов, содержащих галактуроновую кислоту (пектиновые вещества), кальция и лигнина. Целлюлозу и гемицел-люлозы выделяли после извлечения крахмала из растительного материала методом Ястрембовича и Калинина (Ястрем-бович, Калинин,'19G2) с некоторыми изменениями. Анализ пектиновых веществ проводили по методу Арасимович. и др. (1970). .

" Содержание кальция определяли после мокрого озоления высушенных до постоянного веса отрезков зон роста корня (общее содержание кальция) и предварительно выделенного материала клеточных стенок (кальций, связанный с клеточ-. ' нымн стенками), атомно-абсорбционным методом (Прайс, 1976). Выделение клеточных стенок осуществляли по Рндж и Осборну (Ridge, Osborne, 1970).

Выделение лигнина осуществляли по схеме, разработанной М .С. Бардинской для молодых травянистых растений (Бардинская, 1951, 1964), с некоторыми нашими дополнениями. Для характеристики выделенных образцов лигнина использовали УФ и.ИК-спектры, содержание метоксильных групп и "определение продуктов окисления нитробензолом'в щелочной среде.

Активность пероксидазы определяли по Бояркину (Ермаков, 1972). Разделение пероксидазы на фракции — растворимую и связанную с клеточными стенками — проводили методом, описанным Ридж и Осборном (Ridge, Osborne, 1970). Изучение изоферментных спектров ее осуществляли методом вертикального диск-электрофореза в 7,5% полнакриламндном геле в модификации Сафонова (Сафонов,:Сафонова, 1971).

Определение основных показателей обмени

Определение скорости синтеза белка проводили с использованием 14С-лейцина. Белок выделяли но методу, описанному Клячко и Кулаевой (1969). Содержание'белка определяли по .методу Лоури.

Для изучения зависимости холодостойкости клеток от функционирования белоксиитезирующеи системы применяли циклогексимид фирмы «Serva».

Содержание нуклеиновых кислот определяли, разделяя РНК и ДНК по методу Шмидта и Тангаузера в модификации Е. В. Нечаевой '(Нечаева, 1958).

Интенсивность дыхания определяли по поглощению кислорода при разной температуре манометрическим методом в аппарате Варбурга. Определяли дыхательную способность отрезков корня при 25° и истинную величину интенсивности дыхания — при 27 и 10°. ,

- Выделение фенолкарбоновых кислот проводили по схеме X. И. Мийдлы (Мийдла и др., 1975). После.хроматографиче-ского разделения количество элюированных с непроявленных хроматограмм фенолов определялось спектрофотометрически при длинах волн, соответствующих максимальному поглощению, Локализация фенольных соединений гистохимическими методами определена на поперечных срезах корня, сделанных от руки, с использованием 0,1%-ного раствора крезило-вого голубого, 5%-ного раствора FeCb, диазотированного н-нитроанилина (ДПНЛ), 10%-ного раствора КгСгО*, насыщенного раствора Ва (ОН) 2.

Результаты всех определений рассчитывали на клетку с учетом ошибок, получаемых при определении исследуемого показателя и при подсчете клеток (Обручева, 1965), на зону, на белок, в процентах к весу сухих веществ клетки. Повтор-ность опытов не менее чем трехкратная, в большинстве случаев— 4-, 6-кратная. Количество используемого материала было наибольшим при выделении лигнина (5000—8000 зон), обычно для определения фиксировали 300—500 зон. Полученные данные обработаны статистически.

Анализ роста корня в условиях снижения температуры

Сортовые особенности реакции на резкое снижение температуры проявляются в степени ингибирования скорости роста всего корня и слагающих его процессов — скорости образования клеток, скорости перехода их к растяжению, изменении размеров зон меристемы и зоны роста растяжением. Степень замедления роста четко дифференцирует растения но устойчивости: у растений устойчивого сорта (Омская 2) рост корня при температуре 10°С замедляется в 7—8 раз, неустой-

чивого (Узбекская зубовидная) — в 12—13 раз, что опреде* ляет и скорость репарационных процессов. Восстановление скорости роста корня при переносе в оптимальные условия через 10 часов составила 82,- 65, 35% для растений Омской 2, гибрида Буковинский 3, Узбекской зубовидной соответственно. . •

В результате несбалансированности между степенью торможения скорости деления клеток и перехода их к растяжению (табл. 1) к концу опыта происходит сокращение объема меристемы но числу клеток на 10, 40, 48% (Омская, гибрид Буковинский 3, Узбекская зубовидная). При 10°С размеры меристемы составляли — у Омской 2—1,5 мм, у гибрида Буковинский 3 — 1,2 мм, у Узбекской зубовидной — 1,0 мм.

Таблица!

Скорость образования клеток и перехода их к. растяжению в корнях проростков кукурузы при снижении температуры до 10° С и при перенесении с температуры 10° С на 27°С

Показатель Варианты Омская 2 Гибрид Буковинский 3 Узбекская зубовидная

Скорость образования клеток, тыс. клеток в час . Контроль 27°С Опыт 10° 10,6±1,6 ].8±0,1 10,0*1,7 1,2*0,1 12,5±1,4 1,0*0,1

Степень замедления . . . 5,9*1,1 8,3*1,3 12,5*1,9

Скорость образования клеток, тыс. клеток в час . 27° 10 ч после 10°С 7,8*1,6 •7,8±1,1 5,7-1,0

Степень восстановления, % от контроля ..... 74 ' 78 45

Скорость перехода к растяжению, тыс. клеток в час Контроль 27° Опыт 10' 9,4-0,1 1.7±0,1 10,5*0,6 2,3*0,1 11,8±1.0 1,5*0,1

Степень замедления .; . . 5,6±0,5 5,0 ±0,2 7,8 ± 1,0

Скорость перехода к растя- 27СС 10 ч женню, тыс. клеток в час после 10°С 6,7*1,0 6,2± 1,1 4.2±0,9

Степень восстановления, % 71 59 35

При снижении температуры с 27 до 10°С скорость образования клеток замедлялась у кукурузы в следующих пределах: у растений сорта Омская 2.— в 5—6 раз, гибрида Буковинский 3 — в 7—9 раз, Узбекской зубовидной — в 12—13 раз. Закономерность подтверждается результатами, наших иссле-

Дований на проростках более теплолюбивой культуры — огурца. У растений сорта Алтайский ранний 166 (для открытого грунта) скорость образования клеток в первичных корнях проростков замедляется в условиях снижения температуры в 20—22.раза сорта Алма-Атинский 1 (для защищенного грунта) — 36—39 раз.

♦ .Несбалансированность процессов образования и перехода клеток к растяжению у растений сорта Узбекская.зубовидная и гибрида Буковинский 3 сохраняется , и в ходе репарации. Растения сорта Омская 2 восстанавливают скорость роста корня по типу стационарного роста (табл. 1). Сокращение размеров меристемы при действии низкой температуры было описано нами впервые в 1967 г. (Родченко, Тарлинская, 1967), Возможность полного исчерпания меристемы при остановке делений облучением была показана в работах В. Б. Иванова (1967, 1968), сделавшего вывод, что образование клеток и время пребывания их в меристеме регулируются независимыми механизмами.

Скорость образования новых клеток в изменяющихся условиях — надежный показатель, характеризующий клеточную пролиферацию. Как отмечено выше, этот показатель при изменении температуры надежно коррелирует с устойчивостью сорта. Скорость образования клеток зависит от средней продолжительности митотического и клеточного циклов, числа нролиферирующих клеток.

При снижении температуры с 27° до 10° и 4°С наблюдается замедление скорости прохождения клетками всего митотиче-ского цикла и периода синтеза ДНК (рис. 2). Значительно увеличивается предмитотический период. 02 — период замедляется в 2,5 раза сильнее, чем период синтеза ДНК и весь митотический цикл. У более устойчивого гибрида длитель-. ность блока 02 — М увеличивается в 15 раз, у менее устойчивого сорта — в 11,7 раза. По данным Д. М. Гродзинского (1983), увеличение компартмента вг-клеток повышает готовность меристемы к быстрой пролиферации. В стационарных условиях роста при низкой температуре такой задержки не наблюдали. Судя но значению митотического индекса в разное время фиксации при температуре 10°С, этот блок нельзя считать полным, а синхронизацию абсолютной, так как на протяжении 02'Иериода, определенного по кривым меченых митозов, митотический индекс не падает до нуля. Очевидно, благодаря различиям индивидуальной чувствительности к температурному воздействию клетки в разное время выходяг из этого блока. Проращивание при различных температурах, как правило, не изменяет величину митотического индекса (Валович,- 1974; Ьоре2-Бае2, 1966). В то время как резкое изменение температуры, как ив условиях нашего опыта, вызы-

вает «вспышку» митозов после некоторого спада митотиче-ской активности (Богданов, 1966; Мезиа; 1963). Возможно. что при внезапном снижении температуры происходит выход из состояния G0 клеток, диффузио расположенных в меристеме.

Определение величины пролиферативного пула по кривым насыщения, путем непрерывной инкубации проростков в растворе Н -тимидина показало, что со снижением температуры с 27 до 10°С сокращается число,клеток,способных пролн-ферировать, причем.в;большей степени у растений.сорта Узбекская зубовидная —неустойчивого, к действию низкой температуры (рис.З).

Определение длительности митоза непосредственно после снижениятемпературы провели подавлением делений высокой .дозой радиации.(100 Гр). В этом случае-уценивалось действие температуры'толькона продолжительность митоза. В оптимальных температурных условиях :Д (27°С) . продолжительность митоза у устойчивого сорта—Омская 2—была 1,05 часа, у гибрида Буковинский 3 и сорта Узбекская зубовидная (неустойчивый) — 0,88 часа. Длительность митоза у различных по холодостойкости, сортов* кукурузы:при'снижении темпера-."туры с 27 до Ю°С оказалась одинаковой— у всех сортов она ♦равнялась 3 часам. Сортовые особенности, по-видимому, на« Слагаются.на величину длительности.митоза, в процессе*- подготовки К нему; ;. ••'.;/ -. - ; *к-;. •> '.. ♦ На основании многочисленных опытов/сравнивая два'раз-личных по устойчивости сорта кукурузы по характеру кривых меченых митозов мы пришли к заключению, что для растений неустойчивого сорта характерен - более гомогенный по длительности МЦ.тип."популяции, чем для более устойчивого (см.

рис. 2). Для более гетерогенной по этому ..признаку популя-. цин, в которой клетки проходят митотический цикл с относительно различной скоростью, характерно образование резкого пика меченых митозов. ' ' ,-. '; = . ,,*,,,.,.

Существенно важным является свойство устойчивых сор-. тов сохранить стационарный характер.роста при резко изменяющихся температурных условиях. Степень сохранения стационарности роста. определяет затем скорость репарационных процессов после действия низкой температуры (см. табл. 1). Эти две характеристики и гетерогенность,клеточной популя-. ции по длине МЦ.определяют . гомеостаз .апикальной; меристемы корня при резкой смене температуры; .::..:<• • с

Рост клетки растяжением и формирование клеточной оболочки

Сортовые особенности роста растяжением при низкой температуре проявляются прежде всего в конечных размерах растущих клеток и времени достижения ими этих размеров.

ЛЛитературные данные об изменении конечных размеров клеток корней, растущих при низкой температуре, весьма противоречивы. Г. Бурстром (1971) наблюдал увеличение размеров клеток, закончивших рост при снижении температуры с 25 до 10°С, определяя изменение размеров сразу после снижения температуры'. . .,_ • —_..♦!»'.: • Z

'Д. Р. Бурхольд и Я. Вант-Гоф (1981) получили прямо противоположный результат — уменьшение размеров клеток, корня подсолнечника, закончивших рост, через 36 часов после "акклиматизации их при температуре 10°С. Источник этих противоречий в том, что в популяции растягивающихся клеток при смене температуры выделяются две группы клеток, различающихся по реакции на температуру:

-•„-- а) клетки, начавшие растягиваться с момента действия .низкой температуры и заканчивающие растяжение в этих условиях (зона НР в наших опытах). Эти клетки подвергаются действию низкой температуры в момент переключения программы на рост растяжением, на формирование вторичной -оболочки. Именно в этих клетках отчетливо выявляются сортовые различия в обмене, характере роста в ответ на резкую .смену,температуры. У растений неустойчивых сортов происходят" се'рьезные нарушения в обмене и.росте, в .результате чего затягивается рост растяжением, происходит увеличение размеров клеток в радиальном направлении и клетки имеют -большие размеры, чем в контроле. : ,л- ~ч»;ьГ* •••

,б)" клетки, перешедшие к растяжению еще-в оптимальных температурных условиях и заканчивающие растяжение при низкой температуре (зона КР в наших опытах). Эти клетки вступили в так называемый канализированный путь диффс-ренцировки еще до резкой смены условий. Они становятся довольно устойчивыми к воздействиям, стремящимся'их изменить. По нашим данным, как правило, независимо от устойчивости растений сорта конечные размеры этих клеток не достигают размеров контрольных.

Для клеток, на которые низкая температура действовала в момент смены программы развития — от роста делением к росту растяжением — характерны резкие сортовые различия в реакции на температуру. Они проявляются прежде всего в различном соотношении веществ ;углеводной фракции у растений сортов с различной устойчивостью.,У этих клеток ра-

стений устойчивого сорта* соотношение компонентов "углеводной фракции соответствуют наблюдаемому между компонентами в оболочках, закончивших растяжение .в контроле, что свидетельствует ' о большей степени дифференциации их. ' " В пользу этого утверждения говорит также увеличение сод ер -жания сухого вещества, приходящегося на долю клеточных стенок за счет увеличения содержания целлюлозы и гемицел-люлозы. У неустойчивого сорта в этих клетках"резко замедляется синтез всех компонентов углеводной фракции, нарушается их соотношение в сторону увеличения содержания -пектина, возрастает объем клеток за счет насасывания воды ;,*-/и значительно увеличивается время роста растяжением. По-

♦ * видимому, в этих клетках происходит нарушение ориентации

микрофибрилл-целлюлозы в результате нарушения структуры микротрубочек".' - • ,;♦-'-

. У растений более устойчивого сорта в клеточных стенках - ""возрастает содержание связанного кальция, что коррелирует : " со снижением содержания общих пектинов и>их растворимой , ,; фракции. Сортовая специфичность при действии низкой тем. "пературы проявляется-и во времени окончания роста. У растений устойчивого сорта кукурузы Омская1 2 рост'-растяже-, нием завершается за 48 часов, у неустойчивого —Узбекская '•'.' "зубовидная — за96 часов, гибрид Буковинский 3 занимает промежуточное положение — рост растяжением его клеток за;;. "вершается за 72 часа. 'Независимо от того, на каком расстоя-' .'-нии от кончика корня клетки закончили растяжение, при сни-'';-женин температуры и их'длина не достигает.конечных разме-: ров клеток в.контроле (рис. 4). Отмечено увеличение разме-., ров клеток в радиальном направлении"и в связигс этим увеличение объема, которое имеет различные пределы в зависни-мости от степени устойчивости. У растений устойчивого сор-I' та значительное увеличение размеров клеток в радиальном

♦ -направлении наблюдали.вазоне КР, у неустойчивого — в зоне -'- • НР, где клетки "перешли1 к растяжению уже в условиях низ-

~ких температур (рис.»4): Увеличение размеров"клеток в радиальном направлении мы связывали, с-увеличением овод-" ненности клеток и изменением ориентации микрофибрилл. -,„'.♦ -/Основным результатом изучения; скорости'формирования ♦ •"-. и состава клеточных стенок.явилось заключение о том, что реакция растений-устойчивых сортов на низкую температуру *": проявляется в перемещении зоны дифференцированных-кле-ток ближе к кончику корня. Об этом свидетельствует ряд показателей: накопление лигнина, начинающееся задолго до полного завершения роста клеток; соотношение компонен-•!-. тов углеводной фракции клеточных стенок; увеличение содержания сухого вещества клеточных: стенок-(за счет гемицел--люлозы и целлюлозы); локализация- фенольиых соединений.

Дифференцировка клеток корня при замедлении роста температурой

Из растущих клеток корня выделены две фракции, лигнина— щелочной и сернокислотный (Бардинская, 1951), Содержание сернокислотного лигнина наибольшее у неустойчивого ;,сорта, содержание щелочного лигнина равно у; всех сортов. Общее содержание лигнина в оболочках клеток у устойчивых сорта и гибрида в оптимальных условиях составляет 2—2,7%, у неустойчивого 4,1—4,3%.

♦Действие низкой температуры по-разному сказалось на накоплении лигнина в клетках, находившихся в разном возрастном состоянии. Содержание лигнина в оболочках клеток,-заканчивающих растяжение, у всех сортов было большим-по"> сравнению с контролем. У растений неустойчивого сорта оно составляло 12,8% от сухого в*ва клетки, у устойчивых сортов и гибрида — 3,1—1,7%, У растений устойчивого сорта большее содержание лигнина в опыте обеспечивается накоплением? щелочного лигнина — менее прочно асвязанного.сг компонентами оболочки, у неустойчивого — накоплением с'ерно-- кислотного лигнина (рис. 5). .-

♦ «Степень замедления относительной скорости накопления лигнина у устойчивых сорта и гибрида 4,2—1,0 раза соответ--ственно, у неустойчивого сорта—всего 2,4 раза. -< Таким образом, полученные-результаты позволяют предположить, что лигнификация начинается .до того, как клетки -заканчивают рост, и играегг регуляторнукк роль в, процессе растяжения оболочек клеток. Большее содержание,лигнина в оболочках клеток неустойчивого сорта оказывает влияние на время; роста-растяжением, что в итоге отражается на росте -корня в целом. <}*•.-< Д '

' Потенциальная активность пероксидазы в оптимальных ' условиях возрастает по мере дифференциации клеток. Наибольшая часть активности фермента (80—90%) приходится на долю цитоилазматической фракции. По мере дифференциации клеток увеличивается доля фермента, связанного с клеточными стенками, что в еще большей степени проявляется при действии низкой температуры. Активность пероксидазы возрастает при низких температурах прямоЛ пропорционально степени накопления лигнина и обратно пропорционально скорости роста клеток. . " " .

Изучение роли фенольных соединений (ФС) и, властности, фенол-карбоновых кислот (ФКК) в регуляции скорости роста кл: еток корня в условиях низких температур позволило сделать: заключение, что наиболее существенные качественные изменения происходят во фракции фенольных соединений, связанных, с клеточными структурами. В. «растворимой;*

27"С

\«с

И'С 27'С

I_1_I_1,—_I I 1_

13 3 7

' •_I__I. I_I I_I-!

ПО "I? " 19 П

мм

CZJ«

9

Рис.1. Схема изменения размеров гон роста корня растений кукурузы при оптимальной и пониженной температурах. А - Омская 2, Б - Узбекская зубовидная, а - меристема, б - начало растяжения, в - конец растяжения.

Нкн -

PJIC.2 . Изменение индекса меченых нлтозов прл 1:ратховре1.!он-ноЯ инкубации проростков кукурузы в растворе Н .-ткядаиа при температуре 27 и 10* . А - 'гибрид Букошшский 3, Б - Узбекская зубовидная; I - контроль (27*С), 2 - опит (10*С).

Рис.3. Изменение индекса меченых клоток'при длительной инкубации проростков кукурузы гибрида Еуковинский 3 (I) и Узбекской зубовидной (2) в растворе НАтимидина. (Указана квадратичная ошибка среднего). По оси абсцисс \-".время- "насыщения" проростков НА-тимидином, по оси ординат -.индекс меченых клеток, %. • • "'"• -У': "":.............•-♦.-•--..;../

Рис.4 . Влияние снижения температуры на длину и диаметр клеток коровой паренхимы в разных зонах роста корня. I - длина клеток, 2 - диаметр клеток.

2.4

Рис.5. Содержало лигнина в растягивающихся клетках кукурузы при 27° (I) id 10°С (2). А - Омская 2, Б - гнбрвд

Буковинский 3, В - УзоЛсека., зубовидная, а - щалочной лигиин, d - сернокислотный.

Рис.6. Динамика включения 14С-лейцина в белок корня. ~ 1 проростков кукурузы при 27, 10, 2°С. I - Омская 2, 2 - гибрид Буковинский 3, 3 - Узбекская зубовидная.

Оценка реакции растений на снижение температуры

Низкие положительные температуры

Ростовая реакция клеток корня

1_- Урожай

(

3

Заморозки (весенние и осенние)

Степень повреждения тканей и органов

Степень ингибирования скорости деления клеток

По изменению электропроводности вытяжек

Степень сформированное™ клеточной оболочки

По времени окончания роста растяжением

По содержанию пектиновых веществ

Степень восстановления

скорости роста корня после действия низкой температуры

Посевные качества семян

Всхожесть"]

По экзоосмосу Фосфора

По экзоосмосу кремния

Энергия прорастания

Сила роста

Отзывчивость на фон минерального литания

По урожаю

По изменению длины вегетационного периода

Рис.7. Схема оцонки солок:: .онного материала на устойчивость к »низки»: те.мизратура:.:.

фракции качественные изменения связаны с колебаниями содержания сложных комплексов с повышенной гндрофильно-стыо, содержащих оксикоричные кислоты.

В оптимальных температурных условиях общий уровень накопления ФС выше у неустойчивого сорта во всех клетках. Низкая температура вызывает видимое замедление накопления ФС в клетках меристемы обоих сортов и в клетках растений устойчивого сорта, заканчивающих рост при 10°. В клетках, процесс растяжения которых начался от момента снижения температуры (НР), скорость накопления феноль-ных соединений замедлена в меньшей степени, чем рост. У растений устойчивого сорта в этих клетках метаболизм .ФКК сдвинут в сторону синтеза лигнина, у неустойчивого — синтеза растворимых эфиров. В этих же клетках неустойчивого сорта повышено содержание свободных ФКК—цис-фе-руловой и ванилиновой. В конечном итоге значительно растягивается процесс растяжения этих клеток, повышается их оводненность, увеличивается объем. Доля лигнина в сумме ФС ив массе сухих веществ возрастает в этих клетках у устойчивого сорта, хотя абсолютное содержание лигнина увеличивается в клетках, обоих сортов, одновременно с уменьшением содержания ФКК и вещества В, содержащего транс-фсруловую кислоту, которые образуют связи с клеточными . структурами. В клетках, закончивших рост, у неустойчивого сорта-содержание ФС продолжает расти, у устойчивого — падает за счет растворимых эфиров ФКК- Баланс ФС в этих клетках смещен в сторону лигнина ш у обоих сортов. Среди ссободных ФКК у неустойчивого сорта существенно увеличивается содержание ванилиновой и п-оксибензойной кислоты, у устойчивого — транс-феруловой, п-оксибензойной.

.Все изложенное хорошоиллюстирует изменения характе-ра'роста клеток корня при снижении температуры — приближение дифференцированных клеток у устойчивого сорта блн-;же к апексу корня; уменьшение объема меристемы и увеличение времени роста растяжением клеток неустойчивого сорта. -

Изменение метаболизма клеток корня при действии "низкой температуры

Отправной точкой для изучения особенностей метаболизма клеток корня в условиях низких температур послужили исследования, связывающие изменения метаболизма с онтогенетической дифференцировкой клеток корня с их физиологической и структурной организацией (Обручева, 1965; Хавкин, 1964, 1973; Сытник и др., 1972). Мы изучали узловые процессы метаболизма: скорость синтеза белка и его содержание, нуклеиновый обмен, дыхание, фосфорный обмен.

Определение содержания бел нового азота в клетках:* на разных фазах роста показало увеличениеКего:по мере роста *

клетки. ■')/•• '*;УЛ'л"'ъ]'-}ъ' '\-<->-'':. '"•.......• '">'

За 6 часов роста при"27? скорость ' накопления белка составляла в меристеме, зонах растяжения'и днфференцировки 5—7% в час, что соответствует литературным данным- (Соок, 1969; Хавкин; 1977):-6-часовое" охлаждение остановило прикроет белка в дифференцированных клетках, а затем, по мере •'-роста, скорость накопления'белка упала более,чем в 2 раза-(табл. 2). В меристематических-клетках в первые б часов4 охлаждения скорость накопления'белкового;азота снижается почти вдвое. Постепенное,снижение, скорости накопления* в "меристеме',наблюдается'влечение всего*опыта. В случае растяжения замедление темповироста, также. сопровождалось падением скорости накопления белкового азота.

..... • - ' ' Таблица 2

Скорость накопления белкового азота в клетках корня кукурузы -\ • гибрид.Букошшскин 3 на'клетку, в час (в .%)

, Вариант •Меристема ' Зона растяжения Зона дифференциации

27°, 6 час. Л0°, 6 час. 10°, 24 час. 10°, 48 час. 10°. 72 час. .-, - 4,30 2,50 . , 1,10 * . 0.91 / • 0,86 / • " - 7,00 .., . "- "4,70 1,70 1,94 ~ • . 5,20 • , . ,5,40 - 0,76 0,97' ' '

Влияние температуры по-разному отразилось на темпах -роста и темпах накопления.белка; Если скорость роста кле-" .ток при 10° в зоне роста растяжением уменьшалась во много -:раз (в 30 раз)*, то снижениёГскорости'накопления* белка"не -превышает трехкратного изменения (табл. 3). По нашим

Таблица 3

Скорость роста растягивающихся клеток, кукурузы гибрид Буковнлский 3 при пониженной температуре

п/п Варианты опыта , Прирост зоны за время ' опыта, мм Скорость роста, * ' мм/час

. ' 1 27°, 6 час. "> - * блОгЬО.ЗОО 0,91

,2 10°, 6 час. . 0,06 +0,034 0,01

•:"•'• 3 10°. 24 час. ,1.00+0,058 0,04 - -

• • • 4 10°, 48 час. - >• ;.2,40+0,210 0,05

' '5 л10°, 72 час. ч " :" -.2,70+0,090 о.оа

данным, синтез белка при низких температурах более устойчивая функция, чем рост. При замедлении скорости роста корня кукурузы устойчивого сорта в 8,4 раза, неустойчивого в 13,3 раза, скорость синтеза белка, определенная по включению иС-лейцина, снизилась в 4—6 раз соответственно (рис. 6). Это несоответствие привело к увеличению его содержания в клетках корня при пониженной температуре. При низкой температуре в большей степени ипгибируется синтез митохопдрнальиого белка и увеличивается содержание растворимых низкомолекулярных белков.

Охлаждение проростков до 10°С в присутствии циклогек-симида приводит к подавлению включения меченой аминокислоты в белок. В течение 6 ч при этой температуре синтез белка тормозится у сорта Омская 2 на 85%, у Узбекской зубовидной— на 90% от удельной радиоактивности белка при температуре 27°С без циклогексимида. Холодостойкость при этом значительно снижается. Степень ингибирования холодо-вого закаливания температурой 10° в присутствии циклогексимида через 24 ч достигала 80%- По мере увеличения продолжительности инкубации при пониженной температуре холодостойкость клеток падает и через 72 ч достигает исходного уровня:. К' этому времени в присутствии ингибитора падает скорость включения меченой аминокислоты в белок и скорость движения цитоплазмы клеток корня кукурузы.

Накоплению белка в процессе роста корня при пониженной температуре предшествует накопление РНК, что, возможно, является механизмом, обеспечивающим эффективный белковый синтез в растениях при неблагоприятных условиях.

Дыхание клеток корня при замедлении скорости роста низкой температурой

Изучение дыхания при снижении температуры мы начали с определения основных изменений в этом процессе в клетках корня кукурузы гибрида Буковинский 3 на последовательных этапах роста — в меристеме, зоне растяжения- и зоне дифференциации. При этом воспользовались двумя показателями, различающимися по температурным условиям, в которых проводили определения скорости дыхательного газообмена (Варакина и др., 1974). Это дыхательная способность, измеренная при 25°, и интенсивность дыхания, измеренная при температурах выращивания (10 и 27°). Предварительное исследование, проведенное на клетках гибрида Буковин-ский 3, показало, что действие температуры на скорость поглощения кислорода, кроме прямого снижения скорости процесса, происходит и опосредованно — через торможение мито-хондриогенеза. Последнее доказано рядом показателей: мед-

2

17

ленным накоплением митохондрнального белка, изменением ( величины Ою; определениемлвеличинытоглЪщения.кислорода,*;. подавляемого цианидом и азидом.тс», И ..;-"' ? « • • \\:.С Сортовые особенности изменении интенсивности дыхания": клеток корня кукурузы были-изучены» также с учетом возрастного состояния клеток.-лСущественные изменения дыха-: тельного процесса-при Снижении температуры обнаружены' в клетках, перешедших- к-растяжению?уженв* условиях низких -температур. В" этих? клетках £ у .растений устойчивого .сорт;)-дыхательная способность врасчете на клетку ниже, чем в клетках этой же зоны-»контрольных растений, в расчете на мг белка дыхательнаяуспособность' описываемых клеток в: контроле и опыте сравнивалась (табл. 4). Дыхательная способность клеток* за'кончившнх'рост, растяжением.в контроль- ных.и опытных условияхЛ;нёУразличалась.В; клетках начала -'растяжения (ИР)Лрастений Неустойчивого 'сорта Узбекская , зубовидная интенсивностью поглощения: кислорода . при; Ип31: ких"' температурах /значительног г ..выше/;': чем в контроле (табл. 4). С каждой.единицей белкаЛздесь связано, в два раза -более «йнтенсивное:поЛсравнению -не контролем ;• дыхание.- Эти* ♦клетки имеют большйе'.линейные;:размеры,"; большой объем. лИм свойственен Лвысокий уровень *:дыхательной: способности;, , Клетки растений этого же сорта, завершающие рост растяжением при низких температурах, имели несколько сниженную г-по.сравнению с контролем интенсивность поглощения 02.

• . . , .Таблица 4

\г ' Дыхательная способность клеток корней проростков кукурузы

• при замедлении скорости и* роста пониженной температурой . „ ; (в числителе мкл О/час--10 клеток, в знаменателе— . -'-,.,, ..,,?;•.-„.,,.Лмкл ОЛ/ча'с-на мг белка). ./ ;£'-,•• • '"•',

'•-' Вариант, * • сорт Начало растяжения (ИР) Конец* растяжения • (КР).

И контроль! 27?,' 6 ; 5- опыт С*!» Л-10°, 48 4 ;1 ." контроль 1,;270,.6 ч , ОПЫТ „! ;..10°,-48 4У

•'67,5+8.Ь;{ -А'45,8£6,0 ?"Т9,'о±10,0 85.0±10,0

,;38,7±5,6.. :35,0±5ДЬ /41,0 ±5,0 31,5 ±4,6 .у

"Вариант, сорт '--... ;контрольf '.-27?,Л8цчЛ1 * ?10°,96 'М^ контроль /27°, 8.ч ... -• '<:опЫТ»;;У л 10% 86У4; -

Узбекская зубовидная Й;39.0±5'о ! '•-' Уо.ог!ао1 . Г99!о±]2,0 76,2±9,3 ;'

. 39,4±3,01 ..-, 84,0 ±7,6.: '51.6i5.0-. « 28,4 ± 3,2 ;

; ] Изучение активностиферментов гликолиза и ТМФ-пути и определение отношения,. СБ/СГ дают все основания Лсчитать, что в клетках корней растений устойчивого сорта кукурузы,

растущих при пониженной температуре, наблюдается снижение мощности основной системы дыхания через гликолиз при стабильной высокой пропускной способности окисления глюкозы но ГМФ-пути. Реакция клеток растений неустойчивого сорта на снижение температуры заключается в усилении мощности основной системы дыхания — через гликолиз. Очевидно, что в условиях низких температур в клетках корней растений устойчивого сорта возрастает функциональная роль ГМФ-пути, как источника соединений, необходимых в процессе дифференциации.

Заключение

Одним из основных итогов изучения корня в условиях низких температур явился вывод о том, что сортовые особенности реакции растений на температуру при резкой смене условий, наиболее отчетливо проявляются в процессе роста. Хотя повышение устойчивости растений идет на фоне замедления роста низкими температурами, прямой корреляции между этими процессами не получено: низкая устойчивость может быть связана как с интенсивным ростом, так "и с полной его остановкой. Для характеристики устойчивости растений важна степень ингибирования роста, определяющаяся рядом показателей. И прежде всего — гомеостазом клеточной популяции меристемы корня, существенным элементом которой явилась степень сохранения стационарности роста клеток корня при снижении температуры.

Независимость регуляции скорости образования клеток и времени пребывания их в меристеме (Иванов, 1974), на растениях сортов различной устойчивости, получила новое конкретное выражение —у растений устойчивого сорта эти механизмы согласованы так, что сохраняется необходимый объем меристемы, и следовательно, соответствующий уровень синтетических функций корня. Последнее определяет осуществление регуляторной роли апекса корня в схеме регуляции, обеспечивающей целостность организма (Полевой, 1982).

Особенности роста растяжением клеток корня растений с различной устойчивостью наиболее четко проявляются в клетках, подвергнутых действию низких температур в фазе перехода от роста делением к росту растяжением в период формирования вторичной оболочки. Приспособительные реакции этих клеток у растений устойчивого сорта характеризуются следующими чертами: гормональный баланс (ИУК/ЛБК) в них смещен в сторону ЛБК (Акимова, 1985), при повышенной активности ауксиноксидазных ферментов; интенсивность дыхания снижена до определенных значений, обеспечивающих процессы поддержания и роста; возрастает доля ненто-зофосфатного пути дыхания; метаболизм ФКК сдвинут в

J3

сторону накопления лигниналВсе эти процессы приводят к 1= тому, что клетки более-успешно'.?заиливаются, быстрее за- " канчивают рост'и дифференцируются--ближе к апексу корня;, чем клетки растений; неустойчивого сорта. /Определенный ] вклад в увеличение времениг.растяжения, объема,растущие . • клеток и замедление, дифференциации»клеток растений не--устойчивого сортаГвнЬсит.-пбвыш'ённое накопление, не связан- ? "ных'с компонентами ;клеточных структур ФС, в частности ва-.нилиновой кислоты и, .комплексов Л и Г* В,, содержащих ' -транс-н-кумаровую 'и\транс-феруловую кислоты. Расположё-,, нце дифференцированных , клеток; ближе., к апексу корни' имеет важнейшее значение:для "осуществления функции поглощения и передвижения,воды'и минеральных веществ. Ра-ботами'последних лет показано; что.апикальная часть двух-:-суточного корня, включающая меристему, зоны растяжения ' и дифференциации, обладает: развитым аппаратом поглоще-, ния, даже не имея хорошо ".«'дифференцированной проводя-, щей системы для массового тока!'веществ. Дифференциров- • " ка проводящих элементов • (Мазель, Данилова/Древаль, 1983; Данилова и др;; .1983) увеличивала количество Са2', поступа-.. ющего из-корня, в 2,5 разаГОптимальное формирование кле-, точной оболочки'Принизких.температурах обеспечивает норо мальное функционирование свободного пространства этой,; своеобразной «лимфатическойлснстемы» растения (Саляев/ 1971); рассматриваемой как часть*гомеостатической системы *-клетки (Саляев, Пузанов;-1984).Л

. Методы составляют 5существенную часть схемы оценки;сс-лекционного материала;5 предложенной нами (рис. 7) (Род-ченко, 1980). .-•"'• .-.>?! •• п-:-- •"•; -"•• ' . =•' •',';'•

. '•'." "".'Выводы ...г. ''".*

. 1.-Знах:ние адаптивных*реакций растений на ответствен- -ном отрезке онтогенеза — в о время прорастания семени и перехода от гетеротрофного::к автотрофному.питанию — необходимое условие селекции,; экологически устойчивых сортов, способных сохранять уровень продуктивности в широком диапазоне условий среды;. •;• •'$сг.' V " . >;>•'.:.." ., :, ,- 2.. Растущий, зародышевый корень-является оптимальной моделью для оценки реализации наследственной программы в определенный фенотип в условиях низкихЛтемператур. Ростовые реакции корня, новообразование» элементов структуры, обеспечивающих становление .'его специфических функций в изменяющихся условиях;.среды наиболее полно отражают уровень адаптивных возможно1 стей растения. . ,, - 3. УстойчивостьГрастений1 сорта к резкому снижению температуры на ранних этапах-онтогенеза характеризуется степенью ингибнрования роста корня. Повышение устойчивости

к Кратковременному охлаждению до минусовых температур идет на фоне замедления его пониженными температурами, ' но низкая устойчивость связана как с высокой активностью роста, так и с полной его остановкой. Определенный уровень ростовых процессов является необходимым условием адаптивного повышения устойчивости клеток корня.

4. Степень ингибирования роста при снижении температуры определяется гомеостазом клеточной популяции меристемы корня, который характеризуется следующими особенностями: степенью сохранения стационарности роста клеток корня; степенью гетерогенности клеток апикальной меристег мы корня но продолжительности митотического цикла; темпами восстановления объема меристемы после действия низких температур.

5. Сортовые особенности роста растяжением в условиях низких температур проявляются прежде всего во времени достижения клетками корня конечных размеров, которое на-. ходнтся в обратной зависимости от устойчивости растений сорта. Длина клеток, закончивших рост в условиях низких температур, не достигает размеров клеток в контроле.

6. Особенно четко сортовые особенности роста растяжением проявляются в клетках, подвергнутых действию низкой температуры в момент переключения программы на рост растяжением, на формирование вторичной оболочки. У растений устойчивого сорта рост растяжением этих клеток проходит в более короткие сроки, и дифференцированные клетки появляются ближе к апексу корня, что подтверждается ря дом показателей: содержанием сухих веществ и соотношением веществ углеводной фракции клеточных оболочек полимеризацией лигнина в клеточных оболочках, начинающейся до завершения роста клеток; локализацией фенольных соединений. В клетках растений неустойчивого сорта происходят нарушения в обмене веществ и росте, в результате рост растяжением затягивается и происходит значительное увеличение размеров клеток в радиальном направлении.

7. Синтез белка в условиях низких температур — более устойчивая функция, чем рост, вследствие чего в равновозрастных клетках при пониженной температуре содержание белка повышено. У растений устойчивого сорта скорость синтеза белка сохраняется на более высоком уровне. Адаптивное повышение устойчивости клеток корня к низким температурам определяется синтезом белка на 805рибосомах и практически отсутствует, когда он подавлен циклогексимидом.

8. Изменение интенсивности дыхания при низкой температуре определяется как прямым тормозящим действием температуры на скорость поглощения кислорода, так и через торможение митохондриогенеза. В клетках начала растяже-

ння растений устойчивого сорта, при пониженной температуре происходит снижение; "мощности основной системы дыхания через тликолиз.пристабильно высокой пропускной способности окисления.глюкозы по-ГМФ-пути.В клетках растений неустойчивого сорта при 1 снижении температуры идет усиление мощности . основной /системы, дыхания — через глн-

*-..9. Изменения/ характера роста клеток растении; сортов различной устойчивости в условиях низких температур как то: .приближение днфференцированныхЛклеток, к. апексу корня у ,, растений устойчивого сорта;.уменьшение объема меристемы;.и увеличение времени роста! растяжением у неустойчивого сор: "та сопряжены с различиями в .синтезе, метаболизме и рас, нределенин ФС, властности, ФКК*и их комплексов. - *

10. Определение особенностей реализации программы онтогенеза растений сортов;различной устойчивости в условиях низких температур стало'возможным благодаря разработке и использованию схемы опытов, позволяющей оценить изменения в обмене, .структурах.*!! (функциях, ]. вызванные -действием низкой темнературы.Лс исключением тех изменений, которые накладывает само осуществление программы онтогенеза. В качестве «масштаба. биологического времени» был принят отрезок времени, необходимый для завершения роста клетки растяжением, что'дало возможность сравнивать клетки, равнозначные по физиологическому состоянию. Продолжительность фазы растяжения при низких температурах стала качественной характеристикой устойчивости растений. . -

11. На основе*изучения особенностей Проста и метаболизма клеток первичных корней-созданы методы диагностики устойчивости растений /к низким-.положительным температурам, ' позволяющие оценить все1 составляющие устойчивости, методы оценки гомеостатичностн и"?определения границ; температурных зон. Они могут быть использованы на любом этапе селекционного'процесса,*в том числе' в автоматизированных системах диагностики. :.. с-? '•:

... Список основных' работ,,**•'-.;> •--.•

опубликованных по материалам диссертации ,

-'• 1. Синтез белка, изменения в'содержании аминокислот и Нуклеиновых кислот у пшеницы и кукурузы;* при-пониженных температурах почвы./ Тарлинская Б. П., Родченко О. П.,'.Колмакова О. В.,. Пальшина Л. Г,// Физиологические основы -повышения Устойчивости растений и полевой всхожести семян в Сибири./Отв. ред. Реймерс Ф..Э. — Иркутск, 1967.— •С. 27—35. , "-- ' '. ;:„• -' . • •' - ' ..;••-

, 2. Родченко О. П., Тарлинская Б., П. Деление и растяже--; ние клеток при различной, скорости роста корня кукурузы.//Рост и клеточная днфференцировка'растений. /Отв. ред. Реймерс Ф. Э. — М.: Наукал > 1967. — С. 7—16. '•:•••".. •' ' ' -

• '-. 3. Родченко. О, П, -Тарлинская-Б.'.П,':-Определе'ние скорости

роста клеток при пониженной температуре. /Физиология приспособления и устойчивости растений при интродукции. / Отв. ред. Лльтергот В. Ф. — Новосибирск, i960. —С. 12В—134.

4. -Родченко О. П., Тарлинская Б. П., Романова Э. Д. Рост и метаболизм клеток корни кукурузы при пониженной температуре, // Почвы мерзлотной области./Отв. ред. Еловская Л. Г. ~ Якутск.— 1?К>9.— С. 131—132.

. 5.'Родченко О. П. Влияние повышенной температуры на рьст клетки делением. // Устойчивость растений к низким температурам и заморозкам и пути ее повышения. / Отв. ред. Коровин Л. И. — Л1.: Наука, J 969. — С. 39—44,

... 6. Родченко О. П., Бакуменко Н. II., Романова Э, Д. Влияние кратковременных заморозков на рост и фосфорный обмен куку. рузы. // Рост, развитие и устойчивость растений. / Огв. ред.- Реймерс Ф. Э., Климашевский 3. Д.— Иркутск, 1970.— С. 178—182.

.7.Рост растений при пониженных температурах. / Родчедао О.' П., Коровин Л. И., Тарлинская Б. И. и др. // XII Чтения памяти М. Г. Попова. /Отв. ред. Бардунов Л. В. —Иркутск, 1972.— С. 59—67.

8. Родченко О. П. Особенности физиологии растений в экспериментальных условиях Восточной'' Сибири. // Флора, растительность и рз-стигельные ресурсы Забайкалья и сопредельных областей. / Отв. ред. Остроумов В.'М. —Чита, 1972, В; 3. — С. 63—64. •

: 9. Родченко О. П., Бакуменко Н. И.,' Юдин Л. Е. Метб-ды оценки селекционного материала на устойчивость к низким температурам и заморозкам.//Физиология растений в помощь селекции. / Отв. ред. Павлов Л. Н. — М.: Наука, 1974. — С. 80—90.

'. ••" 10. Р од ч е нк о О. П;,- М а р н ч е в а Э, Л. Влияние низкой положительной температуры на рост я содержание белкового азота в клетках корня- кукурузы.//Физиология растений. — 1973. —Т. 20, В. 3. — С. .597—602.

П. Родченко О. П., Маричева Э. Л. Регуляция синтеза бед; ка в Клетках* корня при изменении скорости роста температурой. // Управление скоростью и направленностью биосинтеза у растений/Тезисы докладов 111 Всес. совещания, по управляемому биосинтезу и биофизике популяций. — Красноярск, 1973, — С.-94— 95.

- Л2. Особенности.роста и метаболизма клеток корня кукурузы при пониженных температурах. / Родченко О. П., Тарлинская Б. П. и др. // Мерзлота и почва./Отв. ред. Коноровский Л. К.— Якутск, 1972. — С. 8—15.

- 13. Родченко О, П., Акимова Г.- П. Оценка реакции яровой пшеницы на низкую температуру в зоне корней по скорости синтеза углеводной фракции клеточных стенок. // Тезисы докладов совещания «Методы оиеикн устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды». — Ленинград, 1973.— С. 74—75.

14. Скворцов а Р. Г., Родченко О. П. Изменение мнтотиче-ской активности меристемы корня при действии '^пониженной темпера-туры.//Информ. материалы Координационного совета по физиологии и биохимии растений в зоне Сибирь — Дальний Восток. / Отв. ред. Рей. мерс Ф. 3. —Иркутск, 1974, В. 12. —С. 81—82.

15. Скворцова Р. Г., Родченко О. П., .Маричева Э. Л. Растяжение клеток корня при резком замедлении роста пониженной температурой. // Там же. ~ С. 82—83.

16. Родченко О. П., Маричева Э. Л. Обмен веществ клеток корня кукурузы при замедлении роста пониженной температурой.//Флора, растительность и растительные ресурсы Забайкалья и сопредельных областей. / Отв. ред. Остроумов В. М. — Чита, 1975.— В. 5. — С. 83—84.

17. Маричева Э. Л., Родченко О. П., Нечаева Л. В. Дыхание. клеток корня кукурузы при замедлении. скорости роста его по-

'ни-женной температурой.-//Физиология «растений.— 1975. — Т. 22. В. 3. ^ -С.-59К-597. -. -•.-..•- л.г>.ч-"т"-'г:- ч;.''Лг.-т:.."*' ••-.• Г '•'*;-"*

18. Родченко О. П. Рост и обмен веществ клеток корня прнпо-нкженных температурах.//Тезисы,докладов Х11«Международного Ботанического конгресса.—Ленинград,'1975>Т.г2.-л С. *486'ДЛ,.; -;; _ Ъ

19. *Ро д ч е'Нк о ЮТ'П. Юценка {реализации 'возможностей - генотипам реакциях приспособления растений к неблагоприятным условиям ] срезам. // Физиолого'биохимические ,?и -экологические ?аспекты; устойчивости растений к неблагоприятным "факторам:череды. / Отв.мред. • 'Саляев Р..К.— 'Иркутск Л976. —С. W~I8?лJf:»]л?_£5;;л»--лa;£v.r;.;. :> . ;*«;"

20. Акимова Т. П.г,Р.одчснк'о',0., П.'°*Начальные этапы ~диф; Ч>ерениировки клеток -корня ~вьусловиях""*низких/температур.7/Там же, — "С. 37—'41. ''"-•"*.•• •"-'*-";ьгГ";'--<г "м': -.?Г-'-," " .,. •'-*?;

- 21.' С'К в о р Ц о в а ''Р."» Т."ТР о'дч'енко 'О,: - П."Сравнительное изучение ростовых процессов *у "контрастных4 по"устойчивостн"к"низкой температуре сортов кукурузы.'//Там"же;~С."43—47,.»; ,"•; -,*-".•' ">">-" . >*";

'22: Р о Д ч е и к о; -О.Т*П,,..'Ск'"в о*р*Ц о в'а "Р.'"Г.Т'Мар и ч е в а Э. X, Реакция клеток, корня'кукурузы' на'резкое-снижение'температуры. // Об.

шие механизмы ;клеточных.,реакций70тв,,ред. Трошин'А. "С.--Ленинград,

•1977. —'С.'139—1'40.?. •'• ,"~7Г*нг"":--*' V'• ':'-''.• •-'-•'-, 'Л.*'

23."Рбдченко 0.«П., ' С кв о р ц о в а * Р .; Г . ("Разработка методов диагностики устойчивости*растенИй!%к;?ннзким.'.положительным;неотрица-тельным, температурам1ГПаля'"' селекционных**целей;'// Проспект,- научно-ис следовательскихлработ,1*;рекомендованн^1х ' *д,пя"*1внедрения "в "народное .хозяйство. — 11ркутск,Л977. —!0;;25л31.\1"\^" Ч/^'^". - '",",'?.- ' А1' г 21.- А-кимова ,Г; П., *Р'о д ча'нк о О.'ПлЛигнификация вклетках кчрня "кукурузы -в .условиях-замедления скорости 1роста'.низкой температурой.// Докл. АН .СССР.:"1977.~1г"234.".5. — С. ;1230— 1233.А"й;

25.Акимова • ГГ П:,"Р од ченТс о* О *. ПГ> Изменение: активности пероксидазы в .клетках корней -кукурузы , в;условиях "низкой -положительной . "емпературы.//Докл.-.'„~АН««~СССР.г—«1977:— Т. ,-234,.. Л"з> 6.! — С. 1478 —1481.-;',':- -',, " " - « " '" - ик^.' " й - ? % - . - '-'-••< .~.->;>" • 26. А к и м о в а ;:Г.оП;,' ~<Р'°и че'н к о <0.',*ШЛ"Степень 'сформирован* ности клеточной стенкигклеток' корня -укукурузыгпри замедлении скорости роста ;температурой,-//-Физиология| .растений!*—,1978.— С...26, -'Б.-¡2.— С."96—300.,г ;'!-.-1г5,-:'-'.\ (0'-я1;;-"*;*'?:'"--4у *''- • V;-'-""

• >~27."Р о дЧг-е'Ико/б.'ПХ, , »е"кБ;БрЦ-Ъ'в*а '>Р.'-Л£"-ККИ М 0'БТ1 : Г.-;П, Сортовые!реакции -кукурузы :на?низкие .температуры. // Физиология щбйо-химия-культурГых!.растений;'""979.:~Т;ЛЛ,-"3-3.— С.*229—234.:. 'ж. ??•

28. М ар и чев а&3.\А.;* РТЭ'ДЧ еИ ко 'О. "П.».Динамика шуклеиновых кислот, в клетках .-корня .'кукурузы л при пониженной «температуре.,// Известия СО АН СССР; сериябиолЛнаук. —:1979.~В7 2.:.---С;'117—122."«:'

•29. Фо дчен«о* ОД П£" Юкгв'о'ри о в а Гр. ЛГ. 5,Оценка 'сохранения стационарности ;роста 1корня :прй- резком5 -снижении 'температуры *как пока: затель холодостойкости.'// Особенности;5 физиологических процессов у-ра-

- стеннй 'При 1Низких:толожктеденых".лГ'ниэких"?температурах.—'Якутск,'

- 1980. — с. 60—70. -.- "--.""ц/л'^ ' <<у««-'.--';;.'.:: --'?-"'"

' 30.«Бур ба нов'а'-.Р.-СС.""Р'о'Д'чё'нко -0.4П. 'Влияние пониженной температуры на;синтЕз1белка;первичных!корней кукурузы.'—//-Там'же; — С. 25—32. .'._*--. - ;г-'; "'"'""'^"'•"1^ч-"'"""-;*"'"""Ч-..г •.•-*• ."-"г'"Г'-

31; Родченко <0.'Ш/ЛОцепка"холодостойкости '-растенийспо'росто-вой реакции •клеток„-корня.'7/-ТезисЫ.1Докладов;1Сибирской 'региональной конференции ?по .актуапьным"вопросам *генетнки«и: селекции.—''Целиноград, 1080--~СЛ2П8.-'-";'аЛ'5',;.1Ш.'у''1Л*; в'-Ъ-у"»"*'-?*}.-**• -к" ..'-;-', • • - г-%

32. Родченко"'0;*П;~ Схема "оценки: селекционного материала* на устойчивость :к низкий-"температурами/Физиология *-устойчивастн.-расте-

24 .;; >,".-. \А'' ' *-*[;'•.*-""-.' -•-/:%W-"A-A> .•*•••• ._',- ":£*•

н"ий. к. низким, температурам .н заморозкам. / Отв; ред. Саляев Р; К.. Род-ченко О. ГГ. — Иркутск, 1980. — С. 16—26.

33. Макарова Л. Е„ Родченко О. ГГ. Метаболизм феноль-них. соединений в клетках корня при низких температурах. // Там же. — С. 114—124.

34* Rodehen k о О. P. The. study of root growth at low temperature on cell level//Abstracts of" 2-nd- Intern. Symposium «Structure and. Function of Roots». — Bratislava, 1980. — P. 58.

35., Акимова Г. П., Родченко О. П. Активность ферментной системы окисления ИУК в зонах роста корней кукурузы при низкой температуре. // Метаболизм к механизм действия фитогормонов-. / Отв. ред. Саляев Р. К., Гамбург К. 3. — Иркутск, 1979. — С. 121—124.

36. Оценка реакции разных сортов яровой пшеницы на удобрения п условиях низких температур. / Родченко О. П., Бурбаиова Р. С. и др. // Сорт и удобрение. / Отв. ред. Клнмашеаскнй Э. Л. —Иркутск, 1974.— С. 105—119.

37. Родченко О. П., Скворцова Р. Г. Оценка селекционного материала на устойчивость к низким температурам (Методические рекомендации);/Отв. ред. Саляев Р. К. —Иркутск, 1981. — 21 с.

38. R о d с h e n k о О. P. The study of root growth under low temperature at the cell levels/Structure and Function of Plant Roots. — Hague /Boston/London, P. 337—338.

39. P о д ч е н к о О. П., Макарова Л. Е., Бурбаиова Р. С. Механизм регуляции роста клеток корня при низких температурах. // Повышение устойчивости растений к низким температурам. / Тез. докладов per. севещания. — Киев, 1932. — С. 121.

40. Скворцова Р. Г., Родченко О. П. Оценка устойчивости растений на ростовой реакции на низкие температуры в период первоначального роста. // Устойчивость зернобобовых н крупяных культур к неблагоприятным факторам среды. — Орел, 1982. — С. 66—74.

41. С к в о р ц о в а Р. Г., Родченко О. П. Митогическнй цикл в меристеме первичных корней проростков кукурузы при резком снижении температуры.//Клеточный цикл/Отв. ред. Гудков И. Н. — Киев, Науко-ва думка, 1983.— С. 212—220.

42. Р о д ч е н к о О. П. Адаптация корня к дейстзию низких температур как показатель экологической устойчивости сортаУ/Условия среды и продуктивность растений. / Отв. ред. Саляев Р. К., Родченко О. П. — Иркутск, 1985. — С. 19—27.

43. Б у р б а н о в а Р. С, Родченко О. П. Синтез белка и холодостойкость клеток корня кукурузы./Дам же. — С. 39—46.

44. М а к а р о в а Л. Е., Р о д ч е н к о О. П. Состав и содержание фенолкарбоновых кислот в растягивающихся клетках корня кукурузы в условиях пониженной температуры.//Там же. — С. 60—67.

45. Маричева Э. А., Родченко О. П. Пути окисления глю. козы в клетках корней проростков кукурузы при пониженной температуре. //Физиология и биохимия культурных растений. — 1985.—Т. 17, Лв 5.— С. 459—464.

46. А к и м о в а Г. П., Родченко О. П., Соколова М. Г. Динамика содержания ИУК в зонах роста корня кукурузы при снижении температуры.//Физиология и биохимия культурных растений. — 1985.— Т. 17, № 3. — С . 289—294.

47. Макарова Л. Е., Родченко О. П. Содержание фенолкар-боновых кислот в клетках корней сортов кукурузы, различающихся по устойчивости к низким температурам.//Докл. АН СССР. — 1984.— Т. 234, №5. — С. 1272—1276.

. 48. Родченко О.;,П., Акимова Г. П.,--Бур б а но в а Р. С. Методы оценки селекционного материала,на устойчивость к низким температурам./ Отв. ред. Саля ев Р.К.'— Иркутск,. 1986.— 25 с. ', *-•

/49. Родченко О. П., Скворцова Р,Т. А. с. 615899. Спо- -соб оценки устойчивости растений к низким положительным температурам.

Бюлл. № 27, 25.07.78. \ ./_ . ; / ........-

• 50.'Родче нко О. .П., Скворцова/Р. Т., Акимова А.-. П. А. с. № 854330.' Способ оценки к низким положительным температурам на ранних этапах онтогенеза. Бюлл, № 30,15.08.81. - -,,. •*

. 51. Родченко О. П., ."Б у р б а нов а Р.* С. А. с. № 1209097. Способ оценки к .низким-положительным Лтемпературам, Бюлл. .У^/з, ' 07.02.86. - .-,:-; Л.-:;•" : ' ,. -\е :•„•:

Л-87442 30.06.87 г. Объем 13Д п. л.

Зак. 2031. Тир. 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44