Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Адаптивные реакции кукурузы при корневом и полном затоплении

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Адаптивные реакции кукурузы при корневом и полном затоплении"

На правах рукописи

Р Г Б ОД

2 5 НОЯ 1238

БРАГИНА Татьяна Владимировна

АДАПТИВНЫЕ РЕАКЦИИ КУКУРУЗЫ ПРИ КОРНЕВОМ И ПОЛНОМ ЗАТОПЛЕНИИ.

ОЗ. 00. 12 - физиология растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва,1996

Работа выполнена в лаборатории регуляции водного обмена и засухоустойчивости Ордена Трудового Красного Знамени Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук Г.М. Гринева

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Т.В. Чиркова

Ведущая организация:

доктор биологических наук

H.H. Шевякова

Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева, кафедра физиологии растений

Защита состоится "17" декабря 1996 г. в~/<У~час. на заседании диссертационного совета К 002.45.01 при Институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН по адресу: 127276, Москва, ул. Ботаническая, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН

Автореферат разослан "15" ноября 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета '/А

кандидат биологических наук М.И. Аэаркович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что кислород жизненно необходим всем аэробным организмам, однако чувствительность разных растений к его недостатку неодинакова. Одни растения эволюцнонно приспособлены к существованию в гипоксической среде, другие страдают при малейшем ослаблении аэрации. В естественных условиях гипоксия возникает при весеннем половодье, обилии осадков, заболоченности почв, образовании ледяной корки, а также в результате уплотнения почвы при выпасе и использовании тяжелой техники. Особенностью затопления как стрессорного фактора является сочетание постоянной оводненности и нарастающей гипоксии. Изучение влияния затопления приобретает все большую актуальность в связи с тем, что 72% всей суши на Земле постоянно или периодически подвергаются затоплению (Роппашрегипа,1972), в том числе и в целом ряде районов Российской Федерации. Кроме районов, в которых затопление возникает в результате различных природных явлений, избыток влаги может иметь место в аридных зонах после полива растений. При длительном затоплении неустойчивые к дефициту кислорода растения снижают про-

(

дуктивность и даже погибают. Временное переувлажнение в сочетании с высокими или низкими температурами также отрицательно сказывается на урожае. Изучение ответных реакций и приспособительных механизмов' у растений умеренного климата в гигюксических условиях особенно актуально в связи с повреждающим действием затопления. Знание симптомов повреждений и адаптивных признаков позволит выработать практические рекомендации для повышения устойчивости к переувлажнению. Исследование различных вариантов в зависимости от длительности и глубины затопления поможет созданию оптимальных условий для реализации генетических возможностей растений. Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в изучении адаптивных реакций и повреждений у растений кукурузы при корневом и полном затоплении, а также после репарации.

В задачи исследования входило:

1. Исследование газообмена в среде затопления путем регистрации рОг и рС02; измерение рН в водной среде и в гомогенатах из различных органов.

2. Измерение общего объема газового пространства (порозистости) в корнях и основании первого междоузлия.

3. Определение активности ферментов, деградирующих клеточную стенку (целлюлазы и ксиланазы) в придаточных корнях.

4. Изучение особенностей роста и морфологических изменений в от-

дельных органах и целом растении.

5. Определение скорости поглощения' кислорода различными органами, а также степени сопряжения окисления и фосфорилирования при помощи 2,4-динитрофенола.

В качестве опытного объекта была выбрана кукуруза, поскольку она занимает промежуточное положение по устойчивости к гипоксии и является удобной моделью для исследований (СЬазап,1994).

Научная новизна. Впервые как при полном, так и при корневом затоплении у растений кукурузы обнаружена активация ферментов, деградирующих клеточную стенку - целлюлазы и ксиланазы, вследствие чего часть паренхимных клеток распадается и увеличивается объем газового пространства. Благодаря этому улучшается аэрация тканей. При полном затоплении данный генетически запрограммированный механизм реализуется не полностью вследствие невозможности поступления кислорода из побегов. Подобная активация целлюлазы и ксиланазы установлена только в придаточных корнях, что подчеркивает их особо важную роль в адаптационных процессах.

Впервые показано, что придаточные корни растений, подвергнутых корневому затоплению, характеризуются более интенсивным потреблением кислорода и, по-видимому, более тесным сопряжением окисления с фосфорилированием. Подобное повышение уровня энергетического обмена может иметь самое непосредственное отношение к развитию адаптивных реакций, нуждающихся в дополнительной энергии.

Впервые было выполнено сравнительное исследование ответных реакций при корневом и полном затоплении. Необходимо подчеркнуть, что если работы по влиянию корневого затопления представлены в литературе более или менее широко, то сведений по полному затоплению почти не имеется. Использование сравнительного подхода позволило выявить особенности роста и газообмена, морфологические перестройки, а также характер изменения некоторых биохимических процессов.

Научная и практическая значимость■ Изучение адаптивных реакций в условиях корневого и полного затопления является частью общей проблемы адаптации и устойчивости растений к воздействию стрес-сорных факторов. Проделанная работа вносит вклад в выяснение природы ответных реакций растений при затоплении. Изучение развития устойчивости в зависимости от силы и продолжительности затопления может быть использовано для решения проблем экологии и растениеводства. Знание адаптивных механизмов при затоплении позволит выработать рекомендации для борьбы с его вредным влиянием. Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на

II Всесоюзной конференции молодых ученых по физиологии растительной клетки (Москва,1986), на III Международном симпозиуме "Structure and Function of Roots" (Чехословакия,1987) , на III Международном симпозиуме "Root Ecology and Its Practical Application" (Австрия,1991), на I съезде физиологов растений Узбекистана (Ташкент,1991), на Международной конференции "Ethylene: physiology, biochemistry and practical application" (Пущи-Ho,1992), на Международном симпозиуме "Stucture and Function of Roots" (Словакия,1993), на III съезде ВОФР (Санкт-Петербург,1993), на Международном совещании "Дыхание растений: Физиологические и экологические аспекты" (Сыктывкар,1995), на V симпозиуме ISSR (США,1996), на Международном симпозиуме RSPP "Physical-Chemical Basis of Plant Physiology" (Пенза,1996).

Публикации. По результатам исследований имеется 20 публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на //i? страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания методики, изложения результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы, включающего наименований, из них У/ - на русском языке.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объект исследования и постановка опытов. Объектом исследований служили 11-25-дневные проростки кукурузы (Zea mays L.) сорта 0десская-10, выращенные в факторостатных условиях (23°С, освещение в течение 12 ч в сутки). Семена, протравленные в 0,1% растворе сулемы, проращивали на влажной фильтровальной бумаге в течение 3 суток. В варианте с корневым затоплением для посадки растений использовали кристаллизаторы разного объема (2, 3 или 5 литров в зависимости от поставленной задачи) высотой 9 см, заполненные предварительно прокипяченым гравием. Десятисуточные растения заливали отстоянной в течении 24 ч водопроводной водой на 2-3 см выше корневой шейки, таким образом, чтобы нижняя часть стебля была погружена в воду. Продолжительность затопления составляла от 3 до 15 суток. Контрольные растения выращивали в нормальных условиях увлажнения на смоченном гравии. В варианте с полным затоплением по 25 проростков высаживали в 5-литровые вегетационные сосуды диаметром 17 см и высотой 25 см. Десятисуточные растения полностью (вместе с побегом) заливали отстоянной водой на 24, 48 и 72 ч. По окончании заданных экспозиций воду сливали и брали пробы для анализов, часть сосудов с растениями оставляли для репарации. Контрольные растения выращивали в таких же сосудах на увлажненном гравии. Период репарации продолжался 7 суток, при этом растения.

перенесшие затопление, находились в условиях, аналогичных таковым для контрольного варианта.

Измерения рсь ._РСО? и рН■ Измерения рОг рСОг и рН в водной

среде, а также рН в гомогенатах проводили на газоанализаторе АВС-1 Radiometer (Дания). Контролем служила вода в сосуде с затопленным гравием без растений. В варианте с корневым затоплением пробы для анализа брали из зоны расположения корней. В варианте с полным затоплением пробы отбирали из верхней части сосуда, из зоны расположения листьев, а также из околокорневой среды. Воду в сосудах не перемешивали. Для измерения рН в гомогенатах брали навеску 2,5 г и растирали с песком, заливали 25 мл дистиллированной воды, фильтровали и измеряли рН.

Изучение роста и морфологических особенностей. Определяли накопление сырой и сухой массы в различных органах, отношение сухой массы побег/корень, относительный прирост сухой массы (ОП) в целом растении, побеге и корне. Расчет ОП производили по формуле: ОП = (СМ0/СМП) х 100%, где СМ0 - начальная, СМП - конечная сухая масса (Buxton,Sprender, 1976). При изучении морфометрических особенностей изнеряли: высоту растения, диаметр стебля, длину и площадь листовой пластинки, длину главного и придаточных корней, а также число придаточных корней.

Определение объема газового пространства (порозистости). Поро-зистость в тканях определяли пикнометрическим методом (Jensen et al.,1969;Laan et al.,1991) по процентному отношению общего объема газового пространства к объему органа.

Определение активности целлюлазы и ксиланазы. Для приготовления ферментного препарата навеску 5 г придаточных корней гомогенизировали в двойном объеме 0,066 Н К-фосфатного буфера рН 6.45 с небольшим количеством песка (Kawase,1979). При определении другой формы целлюлазы, растворимой в буфере высокой ионной силы, использовали такой же буфер рН 5,84 с добавлением 1 М NaCl. После фильтрации через нейлоновый фильтр гомогенат центрифугировали при 3600 д. К супернатанту для стабилизации добавляли 0.02%-ный раствор азида натрия. Активность целлюлазы и ксиланазы определяли по образованию восстанавливающих Сахаров методом Somogyi - Nelson (Nelson,1944 ; Somogyi,1952). Реакционную смесь составляли следующим образом: 1 мл ферментного препарата (разведенного в 5 раз), 2 мл 2,5%-ого раствора Na-карбоксиметилцеллюлозы ("Sigma", США), 2 мл 0,1 N ацетатного буфера рН 4,7. Для определения активности ксиланазы в качестве субстрата использовали арабиноглюкуроно-ксилан. Инкубацию проводили в течение 24 ч при 40°С. Далее к 1 мл

реакционной снеси добавляли 1 мл раствора Somogyi и кипятили в течение 15 минут. После охлаждения добавляли 1 мл раствора Nelson и доводили объем дистиллированной водой до 10 мл. Определение концентрации восстанавливающих Сахаров проводили на ФЭК-40.

Определение интенсивности дыхания. Интенсивность дыхания определяли по поглощению кислорода манометрическим методом варбурга в воздушной атмосфере при 30°С. Исследовали также влияние 2,4-ДНФ на поглощение кислорода главными и придаточными корнями. Для этого навески в сосудиках заливали 3 мл 2,4-ДНФ (2,5 х 10"5М) или равным объемом воды (контроль) и регистрировали потребление кислорода в течение 1 ч.

Биологическая повторность опытов - 3-10-кратная, статистическая - 2-3-кратная. В таблицах и на графиках приведены средние арифметические значения и их стандартные отклонения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. рОг, рСОр и рН в водной среде и рН в гомогенатах тканей. Измерение парциального давления кислорода в околокорневой среде показало, что при корневом затоплении содержание кислорода снижалось уже в течение первого часа. Минимальное значение р02 было зарегистрировано', после 2 ч затопления. Парциальное давление углекислого газа увеличивалось первые двое суток, после чего почти не изменялось, сохраняясь на высоком уровне. Измерения рН показали, что закисление околокорневой среды начиналось с первых часов опыта. На вторые сутки рН достигал 6,20 (в контроле - 7,15). При более длительных сроках затопления происходило постепенное повышение рН (рис.1). В наших опытах прослежено также изменение рН в гомогенатах тканей главного корня, придаточных корней, основания стебля и листьев. Наиболее значительное снижение рН по сравнению с контролем было зафиксировано в тканях придаточных корней после 8 и 15 суток затопления. В отличие от корней, в тканях основания стебля рН увеличивался. В тканях листьев рН изменялся мало.

В условиях полного затопления в водной среде в зоне листьев наблюдали постепенное снижение содержания кислорода, минимальное значение которого было отмечено на вторые сутки. В зоне корней содержание кислорода резко падало уже с первых часов затопления. Содержание углекислого газа в верхней части сосуда было стабильным, как и в контроле. Однако в нижней части сосуда, в зоне расположения корней, рС02 начинало резко возрастать с первых часов затопления, достигая 159 мм рт.ст. к 24 ч опыта. Кинетика изменения рН показала, что в зоне листьев в течение всего опыта рН снижался незначительно по сравнению с контрольным сосудом. В прикор-

невой зоне в течение 4 8 ч затопления наблюдали снижение рН более, чем на единицу, но дальнейшего подкисления водной среды не наблюдали .

рН

рО,, MMHg

150 100 50

0

150 100

50

8 12

6.5

7 6.5

2^»

2 4 Время, ч

IvV-^

4 8 12 Время, сут

рС02, MMlIg

100 50

12

100 50

РИСУНОК 1. Изменение р02, рС02 и рН в водной среде при корневом затоплении: 1 - контроль, 2 - корневое затопление, бара - максимальное среднестатистическое отклонение.

Исследование кинетики газообмена и рН в корнеобитаемой среде при корневом и полном затоплении позволило выявить общие характерные признаки: быстрое снижение концентрации кислорода, повышение уровня углекислого газа и закисление околокорневой среды. Подобные изменения вероятно и были непосредственной причиной подавления синтетических процессов и поглотительной деятельности, а также нарушения взаимосвязей между побегом и корневой системой (Armstrong et al.,1994). Резкое падение содержания кислорода в первые часы затопления связано, по-видимому, с потреблением его корнями в процессе дыхания. Поддержание определенного уровня 02 при увеличении сроков затопления может быть обусловлено поступлением кислорода из атмосферы, а также ослаблением газообмена в тканях. Высокое содержание углекислого газа в прикорневой зоне тесно связано со снижением рН. Исследованиями Т.В.Чирковой (1981) обнаружено, что аноксическое воздействие усиливает подкисление околокорневых растворов у пшеницы и риса. При этом снижение рН в

клетках было связано с развитием ацидоза в ризосфере. В наших опытах корневое затопление вызывало снижение рН в тканях корня, в то время как в нижней части стебля, наоборот, происходило заще-лачивание. Неодинаковая направленность изменения рН в разных, близко расположенных органах наводит на мысль о возможной регуляции этого процесса.

2■ Особенности роста и анатомо-морфологические изменения.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при корневом затоплении снижение ОП интактного растения происходило после б суток опыта. На начальных этапах затопления рост побегов интенсифицировался, но при более длительной экспозиции (8-15 суток), напротив, замедлялся. Рост корневой системы ингибировался с самого начала затопления. Соотношение сухой массы побег/корень при всех сроках затопления было выше, чем в контроле и составляло через 4 суток опыта 1,75; через 6 суток - 1,80; через 15 суток -1,88; в контроле - 1,30; 1,13; 0,95, соответственно. Таким образом, у контрольных растений росг подземной части опережал рост побега, а у опытных - наоборот, рост корней отставал от роста побега. Для оценки интенсивности ростовых процессов в различных органах исследовали накопление сырой и сухой массы в корнях, нижней части стебля и листьях. Установлено, что у затопленных растений, по сравнению с контрольными, накопление сырой и сухой массы падало во всех органах, кроме нижней части стебля.

После полного затопления ОП снижался независимо от длительности погружения, причем задержка роста корней была значительнее по сравнению с побегами. Рост всех органов тормозился, о чем свидетельствует снижение накопления сырой массы по сравнению с контролем. Нарастание биомассы после репарации происходило в основном за счет увеличения веса придаточных корней и нижней части стебля. Главный корень после 48-72 ч затопления, как правило, утрачивал нормальную целостность.

Помимо особенностей роста, важно было выяснить, каким образом затопление отражается на изменении морфоструктуры. Установлено, что после 5 суток корневого затопления высота побега, длина листовой пластинки и диаметр стебля отличались большими размерами, по сравнению с контролем. При увеличении длительности экспозиции высота побега и длина листа у опытных растений уменьшались, но разрастание стебля в ширину продолжалось и составляло при 15-су-точном затоплении 4,5 мм (в контроле - 3,3 мм). Длина главного и придаточных корней была меньше, чем в контроле при всех сроках затопления, хотя число придаточных корней увеличивалось. После

£

48 ч полного затопления все морфометрические показатели у растений снижались по сравнению с контролен.

3. Объем газового пространства Спорозистость) в корнях и нижней части стебля.

Независимо от длительности корневого затопления в придаточны> корнях и основании стебля порозистость (общий объем газовогс

пространства, включающий воздушные полости между тканями, межклеточные пространства и аэренхиму) увеличивалась по сравнению с контролем (табл.1). В главном же корне изменений не наблюдалось. Значительный объем газового пространства в тканях стебля связан с разрастанием листовых влагалищ, способствующих притоку воздуха и; листьев. В придаточных корнях высокая степень порозистости обусловлена развитием аэренхимы.

ТАБЛИЦА 1. Объем газового пространства (% от \/0_) при корневом затоплении

1 | Зг-топле- 1 | Вариант Главный 1 1 Придаточные 1 Основание [

| ние,сут 1 1 корень | корни стебля |

1 5 1 I контроль 15 ,2 + 0,8 118,9 4- 0 и 11,5 + 0,8 |

1 опыт 1 15 , 3 + 0,9 1 22,3 + 0 ,5 19,1 + 0,4 |

1 г 1 |контроль 14 ,0 + 0,5 [17,1 + 0 ,5 13,4 + 1,0 |

I опыт 15 ,б + 0,7 1 23 ,1 + 0 ,7 23,2 + 1,2 |

1 15 I контроль 13 , 7 + 0,4 | 19, 5 + 0 б 11,5 + 0,2 |

1 I опыт 1 11 ,3 + 0,3 ¡25,9 ! + 0 ,9 19,9 0,2 | 1

После полного затопления и после репарации, наоборот, обнаружено уменьшение объема газового пространства во всех органах.

4. Развитие аэренхимы в придаточных корнях. При исследовании анатомии придаточных корней после 8 дней корневого затопления было выявлено разрастание первичной коры, пр1 этом увеличивалась площадь ксилемы за счет укрупнения диаметре сосудов и их новообразования, происходило образование аэренхимы Затопление целых растений было сопряжено с повреждениями I первичной коре и центральном цилиндре, особенно после 72 ч. Разрушение стенок сосудов приводило к слиянию сосудов ксилемы, пр! этом увеличивался размер полости сосудов ксилемного типа. Деформация клеток эндодермы и клеток паренхимы приводила к образовании воздухоносных полостей. Анатомические изменения, вызванные полны!

затоплением, касались в основном зоны растяжения и зоны формирования зрелых клеток, меристематические клетки при этом не разрушались .

Образование специфической вентиляционной системы следует рассматривать как одно из важнейших приспособительных свойств растений, испытывающих корневое затопление. Улучшение аэрации обусловлено анатомо-морфологическими изменениями, дающими начало развитию газовых полостей в паренхиме, а также увеличению объема межклетников. При затоплении целых растений, несмотря на образование полостей, порозистость во всех органах снижалась. В связи с отсутствием поступления кислорода образующиеся полости, по-видимому, заполняются водой (Canny,1992). Таким образом, если в условиях корневого затопления образование воздухоносных полостей является адаптационным признаком, то при затоплении целых растений оно скорее является признаком повреждения.

5 Активность целлюлазы и ксиланазы.

Важную роль в цепи приспособительных реакций играют ферменты, деградирующие клеточную стенку. В связи с тем, что о наличии и функционировании разных форм целлюлазы у кукурузы при затоплении сведений не имеется, нами было предпринято сравнительное исследование двух, отличающихся по способу выделения, форм фермента.

Активность, мкмолб гл.-ч'1

3 S 7 9 су/п //

РИСУНОК 2. Активность целлюлазы в придаточных корнях при корневом затоплении: 1,2 - 0,066 М К-фосфатный буфер рН 5,84 + 1 М ЫаС1; 3,4 - 0,066 М К-фосфатный буфер рН 6,45; 1,3 - контроль, 2,4 - затопление; бара - максимальное стандартное отклонение

Наиболее высокая активность целлюлазы,выделяемой в буфере повышенной ионной силы (рН 5,84), была обнаружена после начальных этапов затопления (рис.2,2). Другая же форма ( рН 6,45) ак-

тивировалась в более поздние сроки затопления, после 7-8 суток (рис.2,4). Спад энзиматической активности наступал через 9 суток затопления.

Полное затопление также активировало работу фермента: после 24 ч воздействия активность целлюлазы возросла в 1,9 раза по сравнению с контролем (табл.2). Максимальное повышение активности (в 3,5 раза) было зарегистрировано через 48 ч. Даже после усиления стрессорного воздействия до 72 ч целлюлазная активность оставалась на достаточно высоком уровне. После 7 суток репарации активность целлюлазы снижалась, а после 11 суток репарации - не отличалась от контрольного варианта.

• ТАБЛИЦА 2. Активность целлюлазы в придаточных корнях после полного затопления и репарации (мкмоль глюкозы ч "1)

1 |Затопле- 1 I Вариант После После 7 сут 1 После 11сут|

ние, ч 1 1 затопления репарации репарации |

| ' 24 1 1 контроль 0 25 + 0 02 0,46 ± 0,04 ' |

I опыт 1 0 48 + 0 03 0,73 ± 0,06 1

| 48 1 I контроль 0 41 + 0 03 0,30 ± 0,01 0,53 ± 0,05|

I опыт 1 1 45 + 0 08 0,51 ± 0,04 0,53 ± 0,04|

1 72 1 |контроль 0 22 + 0 01 - |

1 1 опыт 1 0 63 + 0 04 |

Другой фермент, участвующий в гидролизе клеточной стенки,-ксиланаэа. Ксиланолитические ферменты растений играют большую роль в реорганизации клеточной стенки у злаков, поскольку ксиланы - "доминантные" гемицеллюлозы матрикса первичных клеточных стенок однодольных (Родионова,1989) . Нами обнаружено, что ксиланаза мало изменялась в условиях корневого затопления. Так, при 4-дневном затоплении активность фермента составляла 10,05 мкмоль гл.ч"1, при 8-дневном - 8,40, а в контроле: 11,10 и 9,20, соответственно.

В условиях полного затопления активность ксиланазы, наоборот, значительно возрастала (табл.3) и составляла после 24 ч погружения - 90%, после 48 ч - 145%, а после 7,2 ч - 269% от контроля, соответственно. После репарационного периода активность ксиланазы

снижалась .

ТАБЛИЦА 3. Активность ксиланазы в придаточных корнях после полного затопления и репарации (мкмоль глюкозы'ч )

|Затопле- 1 1 Вариант ..... После 1 После 7 сут1

ние, ч 1 1 затопления репарации | 1

1 24 1 I контроль 16, 55 + 1,51 1 1

| опыт 1 14, 90 + 1,54 |

| 48 1 1 контроль 19, 10 + 1 ,77 26,10 ± 2,52|

| опыт 1 27, 65 + 2,01 20,30 ± 2,00|

1 72 1 I контроль 19, 95 + 1 ,30 |

1 опыт 1 53, 70 + 4,00 1

Обращает на себя внимание активация целлюлазы и ксиланазы в условиях полного затопления (табл.2,3). Несмотря на то, что побеги погружены в воду и развитие вентиляционной системы невозможно, растение продолжает осуществлять генетически запрограммированный механизм адаптации, приводящий к образованию полостей в коре придаточных корней. Полученные результаты по регуляции активности целлюлазы и ксиланазы в условиях затопления дают возможность предположить, что деградация клеточных стенок, приводящая к развитию аэренхимной структуры, происходит с участием разных ферментов в зависимости от глубины воздействия стрессорного фактора. Наличие аэренхимы создает особый газовый режим в затопленных органах, способствующий нормализации дыхательного процесса при корневом затоплении.

6 Поглощение кислорода различными органами.

Установлено, что после 5-8-дневного затопления интенсивность дыхания всех органов была выше, по сравнению с контролем и с более длительным 15-дневным затоплением. Поглощение кислорода тканями придаточных корней через 5 сут опыта составляло 159% от контроля, а через 15 сут - 171%, соответственно. По сравнению с придаточными корнями, интенсивность дыхания главного корня была в 1,5-2 раза ниже после всех этапов затопления. Наиболее высокая скорость поглощения 02 была зафиксирована в нижней части стебля после 5 суток воздействия переувлажнения, однако после более длительного, 15-суточного воздействия она снижалась по сравнению с контролем. В листьях подъем дыхания наблюдали лишь в начальные

периоды затопления. Для оценки степени сопряжения окисления и фосфорилирования изучено влияние 2,4-ДНФ на потребление кислорода. У обработанных 2,4-ДНФ корней скорость поглощения 02 возрастала после всех сроков корневого затопления по сравнению с водным контролем. Усиление дыхания наблюдали как в главном, так и в придаточных корнях, у последних стимуляция дыхания достигала 45% от водного контроля (у контрольных растений - 10%, соответственно). Более значительная стимуляция потребления кислорода придаточными корнями при корневом затоплении может свидетельствовать об усилении сопряжения окисления и фосфорилирования, т.е. о повышении уровня энергетического обмена при дыхании. Именно за счет интенсификации энергетического обмена, вероятно, и развиваются адаптивные реакции при затоплении.

Интенсивность дыхания подземных органов после воздействия полного затопления была снижена по сравнению с контролем. В придаточных корнях поглощение кислорода после 24, 48 и 72 ч затопления составляло 92, 81 и 69% от контроля, соответственно. В нижней части стебля прослеживалась приблизительно такая же тенденция. В листьях интенсивность дыхания изменялась менее значительно и даже была выше, чей в контроле при 48- и 72-часовом погружении. После 7г-дневного периода репарации у опытных растений наблюдали усиление дыхания во всех органах, за исключением главного корня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основная задача наших исследований состояла в сравнительном анализе влияния корневого и полного затопления на растения кукурузы. При этом мы стремились проследить кинетику появления симптомов повреждений, а также развитие адаптивных признаков на разных уровнях организации. Поскольку особенностью затопления как стрессорного фактора является постоянное сочетание избыточного увлажнения и гипоксии, прежде всего необходимо было установить соотношение парциальных давлений кислорода и углекислого газа, а также рН в среде затопления. Именно эти параметры характеризуют условия, при которых проводились опыты. Обнаружено, что при корневом и полном затоплении содержание кислорода в околокорневой среде резко падало, а парциальное давление углекислого газа было стабильно высоким. При этом происходило закисление ризосферной зоны. Снижение рН, обусловленное выходом углекислого газа и других веществ в наружный раствор, очевидно, обеспечивает поддержание более или менее постоянного внутриклеточного гомеостаза. Изменение газового режима в окружающей среде несомненно влияло и на внутриклеточный рН. Так, в наших опытах с корневым затоплением

обнаружено снижение рН в тканях корня, в листьях рН не изменялся, а в тканях стебля происходило подщелачивание. Эти различия свидетельствуют о возможной регуляции рН.

Для оценки влияния затопления на состояние растений, нужно было определить, как менялся рост различных органов в зависимости от глубины и длительности воздействия. Показано, что при корневом затоплении рост главного корня затормаживался, а придаточных усиливался. Гипертрофически разрасталась нижняя часть стебля. При этом рост корневой системы угнетался сильнее, чем рост побегов, следовательно, соотношение сухого веса побег/корень возрастало. В то же время при полном затоплении ростовые процессы как в подземной, так и в надземной частях растения ингибировались. Восстановительные процессы (при 1-2-дневном затоплении целых растений) осуществлялись за счет активного роста придаточных корней, обладающих повышенной устойчивостью. Можно предположить, что сбалансированный механизм роста различных органов является важным проявлением адаптации.

Наиболее существенным моментом для выживания растений в гипок-сических условиях является наличие вентиляционной системы, обеспечивающей поступление кислорода из листьев в подземные органы. В условиях корневого затопления в корнях и нижней части стебля имели место перестройки анатомо-морфологического характера, способствующие развитию газовых полостей и увеличению размера межклетников. Высокая степень порозистости (общий обьем газового пространства) в нижней части стебля обусловлена разрастанием листовых влагалищ, что облегчало приток воздуха из листьев. В придаточных корнях развитие порозистости происходило за счет образования аэренхимы, вследствие деятельности ферментов целлюлозо-дегра-дирующего комплекса. В результате наших исследований впервые была обнаружена активация двух форм целлюлазы в условиях корневого затопления в придаточных корнях, причем каждая форма фермента проявляла максимальную активность в разные сроки гипоксического воздействия. При полном затоплении возрастала активность как целлюлазы, так и ксиланазы, другого фермента, участвующего в лизисе гемицеллюлозного компонента клеточной стенки. Однако, несмотря на развитие аэренхимы, порозистость в корнях при затоплении целых растений снижалась. По-видимому, образующиеся газовые полости постепенно заполняются водой, т.к. поступление кислорода из побегов в корни не происходит.

Поскольку при корневом затоплении аэрационная система способна поставлять кислород органам, находящимся в гипоксических услови-

ях, не было ясно, как это отразится на процессе дыхания. Достаточно ли транспортируемого кислорода для осуществления нормального, энергетически полноценного процесса дыхания? На основании измерения скорости поглощения кислорода можно сделать вывод, что после корневого затопления интенсивность дыхательного процесса в подземных органах увеличивалась. Судя по тому, что разобщитель окисления и фосфорилирования 2,4-динитрофенол стимулировал потребление кислорода сильнее, чем в контроле, можно предположить, что при корневом затоплении усиливалось сопряжение окисления и фосфорилирования, т.е. энергообеспечение тканей возрастало.

Это, вероятно, и лежит в основе адаптационных процессов, поскольку для адаптации нужна дополнительная энергия. В условиях полного затопления при отсутствии транспорта кислорода из надземных органов дыхательный процесс ингибировался. После репараторно-го периода в условиях нормального увлажнения дыхание во всех органах, кроме главного корня, усиливалось.

В итоге следует отметить, что возможность адаптации зависит от силы и продолжительности воздействия стрессорного фактора и от степени устойчивости растения к затоплению.

ВЫВОДЫ

1. Установлено,что общими признаками корневого и полного затопления являются: быстрое падение содержания кислорода наряду с накоплением углекислого газа, а также снижение рН в окружающей водной среде. Обнаружены регуляторные изменения рН в тканях различных органов при корневом затоплении: для тканей корня было характерно закисление, в стебле происходило защелачивание, в листьях рН почти не изменялся..

2. Рост корневой системы под влиянием корневого и полного затопления угнетался сильнее, чем рост побега. Однако, при корневом затоплении торможение роста главного корня происходило одновременно с активным ростом и новообразованием придаточных корней и разрастанием нижней части стебля. Сбалансированный рост различных органов является важным фактором адаптации к корневому затоплению. При полном затоплении рост всех частей растения замедлялся. После репарации ростовые процессы возобновлялись, если пребывание под водой было ограниченным. Полное затопление свыше 48 часов приводило уже к необратимым повреждениям и гибели растений.

3. При корневом затоплении было обнаружено увеличение объема газового пространства (порозистости) в корнях и нижней части стебля, а также развитие аэренхимы в придаточных корнях. При пол-

ном затоплении, наоборот, порозистость в этих органах снижалась, хотя в придаточных корнях и было зарегистрировано развитие аэренхимы. По-видимому, при длительном затоплении целых растений образующиеся полости заполняются водой.

4. Впервые показано, что аэренхима в условиях затопления развивается при участии ферментов целлюлазного комплекса, деградирующих клеточную стенку. Обнаружено возрастание активности цел-люлазы в придаточных корнях, как при корневом, так и при полном затоплении. При полном затоплении активировалась также ксиланаза-гемицеллюлазный фермент, характерный для клеточной стенки злаков. Однако при полном затоплении генетически запрограммированные механизмы адаптации работали как бы "вхолостую" ввиду отсутствия поступления кислорода из побегов.

5. Показано, что придаточные корни растений, подвергнутых корневому затоплению, характеризуются более интенсивным потреблением кислорода и, по-видимому, более тесным сопряжением окисления с фосфорилированием. Подобное повышение уровня энергетического обмена может иметь самое непосредственное отношение к развитию адаптивных реакций, нуждающихся в дополнительной энергии.

6. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что при корневом затопления у растений кукурузы развиваются адаптивные реакции, позволяющие им функционировать в гипоксических условиях. При полном затоплении развитие адаптивной системы затруднено вследствие более глубокого воздействия стрессорного фактора и невозможности поступления кислорода из побегов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Брагина Т.В., Гринева Г.М. Особенности дыхания и изменение целлюлазной активности в корнях кукурузы при затоплении // "Ге-огр. аспекты реализ. Прод. прогр. СССР: Тр. шк.- семин. мол. ученых биол. фак. МГУ и Ин-та почвовед, и фотосинтеза АН СССР. М. 1986. С.61-65. (рукопись деп. в ВИНИТИ 23.09.1986. N. 6782-В).

2. Гринева Г.М., Борисова Т.А., Гаркавенкова А.Ф., Ахриф Г.М. Брагина Т.В. Влияние длительности затопления на экссудацию, дыхание и анатомическое строение корней кукурузы // Физиология растений. 1986. Т.33. В.5. С.987-995.

3. Брагина Т.В. Изучение дыхания различных органов кукурузы в связи с устойчивостью к затоплению // Тезисы докл. II Всесоюзн. конф. мол. учен, по физиологии растительной клетки. М. 1986.С.93.

4. Grinieva G.M., Bragina T.V. Physiological and structural changes under flooding of whole corn plants // Abstracts. Ill Intern. Symposium on "Structure and Function of Roots". Nitra,

Czechoslovakia. 1987. P.48.

5. Гринева Г.М., Брагина Т.В., Гаркавенкова А.Ф., Полоцкий A.M. Физиологические и структурные особенности проростков кукурузы при полном затоплении // Физиология растений. 1988. Т.35.

B.6. С.1189-1197.

6. Grinieva G.M., Bragina T.V. Physiological and structural changes under flooding of whole corn plants // Structural and Functional Aspects of Transport in Roots / Eds. Loughman et al. by Kluwer Academic Publishers. 1989. P. 257-261.

7. Гринева Г.М., Брагина Т.В. Физиологические особенности различных органов кукурузы при затоплении // Тезисы докл. I съезда физиологов растений Узбекистана. Ташкент. 1991. С.111.

8. Grinieva G.M., Bragina T.V. The physiological response of corn plants to root oxygen stress // Abstracts. Ill Intern. Symposium " Root Ecology and Its Practical Application". Vienna, Austria. 1991. P.17.

9. Grinieva G.M. & Bragina T.V. Ethylene-stimulated adaptive responses to flooding in Zea mays L. // Abstracts. Intern, conference on " Ethylene: physiology, biochemistry and practical applications". Moscow-Pushcino-St.Petersburg. 1992. P.15.

10. Гринева Г.М., Брагина Т.В., Мартинович Л.И., Родионова Н.А. Активность целлюлазы и образование газовых полостей в придаточных корнях кукурузы в условиях затопления // Доклады АН СССР. 1992. Т.323. N.1. С. 181-184.

11. Grinieva G.M. and Bragina T.V. The physiological responses of corn plants to root oxygen stress // Root Ecology and Its Practical Application 2 / Eds. Kutschera et al. Verein fur Wurzelforschung. A-9020. Klagenfurt. 1992. P.156-158.

12. Grinieva G., Bragina T. The adaptive responses to flooding in Zea mays L. // Abstracts. 4-th Intern. Symposium " Structure and Function of Roots". Stara Lesna, Slovakia. 1993. P.39.

13. Брагина Т.В., Гринева Г.М. Ответные реакции растений кукурузы в условиях полного затопления // Тезисы докладов III съез-ВОФР. С.-Пб. 1993. Т.5. С.499.

14. Гринева Г.М., Брагина Т.В. Структурные и функциональные параметры формирования адаптации к затоплению у кукурузы // Физиология растений. 1993. Т.40. N. 4. С.662-667.

15. Брагина Т.В., Мартинович Л.И., Родионова Н.А., Гринева Г.М. Активность разных форм целлюлазы, особенности роста и газообмена корней кукурузы при затоплении // ДАН. 1995. Т.342. N.2.

C.277-279.

16. Гринева Г.М., Брагина Т.В. Влияние затопления на рост, газообмен и активность различных форм целлюлазы в корнях кукурузы // Тезисы докладов междунар. совещ. "Дыхание растений: физиологические и экологические аспекты". Сыктывкар. 1995. С.45.

17. Брагина Т.В., Гринева Г.М. Активность целлюлазы, образование воздушных полостей и особенности газообмена у кукурузы в условиях полного затопления // ДАН. 1996. Т.346. N 5. С.692-695.

18. Grinieva G.M. and Bragina T.V. Growth, рог and pC02 changes, development of gas spaces in submerged maize seedlings // Abstracts. Fifth Symposium Intern. Soc. of Root Research. South Carolina. 1996. P.100.

19. Grinieva G.M., Bragina T.V. Flooding and submergence impact on maize root adaptation // Abstract. Annual Symposium "Physical - Chemical Basis of Plant Physiology". RSPP. Penza. 1996. P.46.

20. Grinieva G.M., Bragina T.V. Root development of maize exposed to excess of water // Acta Phytogr. Sues. 81. Plant root systems and natural vegetation / Eds.Person H., Baitullin Т.О. Uppsala: Opulus Press AB. 1996. P.98-100.