Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ацидофицирующая активность корней пшеницы: сортовая специфика, действие экстремальной температуры

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Ацидофицирующая активность корней пшеницы: сортовая специфика, действие экстремальной температуры"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ п ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

г Г г

^дологический факультет

На правах рукописи

ШИГАЕВ Александр Николаевич

АЦИДОФИЦИРУЮЩАЯ АКТИВНОСТЬ КОРНЕЙ ПШЕНИЦЫ: СОРТОВАЯ СПЕЦИФИКА, ДЕЙСТВИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность — 03.00.12 — физиология растений

АВТОР ЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре ботаники и физиологии растений Саратовского сельскохозяйственного института им. Н. И. Вавилова.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор В. А. КУМАКОВ « кандидат сельскохозяйственных наук, профессор А. И. ПЕРЕТЯТКО.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор КОНДРАТЬЕВ М. Н., кандидат биологических на\к ЕГОРОВА н. н.

Ведущее учреждение: Институт физиологии растений АН России

Защита состоится « » 1994 г. в час. на

заседании Специализированного Совета К. 053.05.14. по присуждению ученой степени кандидата биологических наук в Московском государственном университете по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, биологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологическо го факультета МГУ.

Автореферат рааослан « » ¡994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

О. Г. ПОЛЕССКАЯ

- 2 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРКЛИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Корневая система растений пшеницы приобретает наибольшее значение в засушливые годы, когда от ее общего развития зависит не только уровень урожайности, но и возможность сохранения посева (Кумаков 1°85). Мощность корневой системы - сортоспецифичный признак, тесно связанный с показателями урожая в зоне Dro-Востока (Фокеев 1961, Павлова 1975, Кумаков 1985). Существует связь между развитием корневой системы и засухоустойчивостью растений пшеницы, однако до настоящего времени в литературе нет убедительных данных, описдаа-ющих наряду с морфологической структурой физиологическую активность корневых систем отдельных сортов, отличающихся по своим продукционным и биологическим характеристикам. Существующие модели сортов культурных растений характеризуются тем, что в них отсутствуют показатели физиологической активносг' корневых систем ( Климашевский, 1991), что связано преаде всего с отсутствием быстрых и надежных методов оценки активности корней.

Центральное место в процессах поглощения вещестз растительными клетками занимают протонные насосы плазматических иембран, генерирующие протонный потенциал., являющийся доияущей зилой активного -транспорта органических и минеральных Е^ещестз (Грикюс 1986. Воробьев 1988, Скулачев 19S9). На уровне корне-зой системы работу протонных насосов можно оценить по тыдефи-цмрущей активности корней - способности корневой система киз-косолевах проростков экскретировать протоны при стимудяцгш Г-насосов ионами калия (Воробьев, Егорова 1980, Воробьев 1988)'. На основе этой способности разработаны методы опенки активности корней, продемонстрированы видовые и сортовые различия по ацидофицнрущей активности (Glass at al. 1S81, Воробьев 1988, вахмистров, 0 Эн До 1.9ЭЗ).

Однако до настоящего времени вопросы связи ацидефицирую-цей активности корневых систем с физиологическими показателя-т. характеризующими сорта культурных растений: продолжг.тель-шетью вегетационного периода, засухоустойчивостью; и др.. иес--чедованы очень слабо. В связи с этим изучение ацидофицирутщэй готовности корней у различных по своим продукционным и биоло-"ическим характеристиклм сортов яровой пшеницы представляется (ктуальннк.

Цель и задачи исследования. Основной целью данной работы являлось исследование специфики ацидофшщрующей активности корней различных селекционно-генетических форм мягкой пшеницы, при стимуляции Н*-насосов корней ионами калия, а также оценка особенностей реакции Н*-насосов корней на стрессовые воздействия. Б работе нами были поставлены следующие задачи:

1. Оценить связь ацидофицирувщей активности корней с положением зерновок в колосе пшеницы.

2. Изучить влияние показателей скороспелости и высоты стебля растений пшеницы на ростсзые показатели и кинетические параметры Н"-насосов корней сортов мягкой яро~;ой пшеницы.

3. Исследовать влиягие температурного стресса на ацидофи-цирувщув активность корней сортов, контрастных по устойчивости к засухе.

4. Изучить изменение показателей ацидофицирувщей активности корней у сортов яровой пшеницы, в процессе селекции этой культуры в селекцентре НИИСХ Юго-Бойтока.

Научная новизна работа. 3 работе впервые с применением методов многомерной статистики проведено комплексное изучение ■ ацидофицируящей активности корней большой группы сортов мягкой пшеницы, различающихся по продолжительности вегетационного периода, высоте стебля, продуктивности и полевой засухоустойчивости. Исследованы сортовые особенности реакции Н*-насосов корней на температурив стресс, а также продемонстрированы изменения активности Н*-насосе:? корней сортов в процессе селек-цкк яровой пшеницы в селекцентре ЪШСУ. Иго-Востока.

корней является показателем, описывающим различие в Физиологической активности корневой системы, сортов яровой пшеницы, различающихся по своих продукционным и биологическим характеристикам.

Сорта яровой пшеницы, контрастные по засухоустойчивости, дифференцируются по характеру реакции И*-насосоь корней на температурный стресс.

лекнкеГданные по изучений специфики ацидофицируьщей активности корнезсй систеии сортов пикниин вносят ьклад в изучение физиологии корневого питания еаксис-йк-й культуры - яровой пшеницы и могут быть испо^соьаиы для практической оценки Фигкологичес-

кой активности корней, при селекц-ш сортов пшеницы.

Апробация работы.Материалы диссертации докладывались на городском семинаре Общества Физиологов Растений (Саратов, 1990. 1931,1993); на XVIII Всесоюзной школе "Биологические мембраны" (Звенигород. 1991). на семинар" лаборатории полевых ИПФС (Пущино, 1992), на II съезде украинского Общества Физиологов Растений (Киев. 1993).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 работы, в печати - 2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из сведения. обзора литературы, четырех глав, заключения и выводов. Изложена на 116 страницах машинописного текста и содержит 25 таблиц , 16 рисунков. Список цитированной литературы вклвчает 145 источников, в том числе 47 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ I. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили 5-7-н дневные проростки 23 сортов мягкой яровой пшеницы (Triticum aestlvus» L.): Альбидум 43, Альбидум 1616. Альбидум 1997, Ботаническая 2. Краснокутка 7. Лютесценс 62, Лютесценс 758, Саратовская 29. Саратовская 36, Саратовская 46, Саратовская 48, Саратовская 52. Саратовская 54, Саратовская 56, Саратовская 58,' Зр::тросперк;'м 041, Br.Arln, Diamnt. Nadadores 63, Opal. Selklrk. 'йогId Seeds 1516, Yenus. В опытах использованы также - восьмое поколение злоаного скреицщания íí°300 - F8 (F, (Саратовская 29 * Red. R1-ver 68) * F,(Альбидум 16S5 * Саратовская 29)), восьмое поколение сложного скрещивания №637 - Fe [F6 (Гордеиформе 432 * Саратовская 1786) * Саратовская 18713,третье поколение сложного скрещивания №639 - АД (Саратовская 1871 * Саратовская 46) - новые сортообразцы любезно предоставленные селекционерами зелекцентра КИИСХ Юго-Востока .

В первой серии опытов сорта были подобраны парами по про-цоляятельности зегетационного периода и зысоге стебля Саратовская 36 и Nadadores 63 близки по продолжительности вегетационного периода и различны по высоте стебля. Кряснскутка 7 л íorld S^eds 1616 также близки по продолжительности вегетацисн-юго периода и различны по высоте стебля. Саратовская 52, порченная от скрещивания Саратовской 36 и Nadadores 63, занима-ia промежуточное положение.

Во второй серии опытов сорта были подобраны парами по •продолжительности вегетационного периода и устойчивости к 'засухе, устойчивые сорта местной селекции, неустойчивые -иностранного происхождения .

В третьей серии опытов основными критериями, при подборе сортов были продолжительность вегетационного периода, а также год выделения родоначальных растений, как критерий селекционного процесса.

Семена пшеницы, взятые из средней часта колоса вакуумин-фильтрировали 0.1 мМ раствором CaS04 (раствор №1 )и проращивали во влажной камере в течении 2-х суток ири температуре 21+1°С в темноте. На третьи сутки семена высаживали в специальное пластиковые емкости по 10 зерновок в повторности доращивали на растворе №1 при непрерывном освещении люминесцентными лампами Л5-40. Объем раствора 10 мл (п.II.1), 40 мл (п.II.2) и 130 мл (п.П.З и II.4). Полученные таким образом низкосолевые проростки использовали в дальнейших опытах.

В работе использован . метод сценки семенного материала по ацидофицирущей активности корней, предложенный каф. биофизики МГУ (авторы Л. II. Воробьев. Н. Н. Егорова ) с некоторыми модификациями.

Пятк-семи дневные низкосолевые проростки переносили на раствор 1 мМ КС 1 ■» 0.1 мМ CaS0| (раствор №2) для стимуляции активного Н*-оттока. Измерение рН раствора, а также активности ионов К* производили при помехи иопомера ЭВ-74, используя ио-носслективные электроды ЭСМ-63-07 ЭМ-К01. Подготовку и калибровку электродов производили в соответствии с пособием Полевого (Полевой и др.. 1S86).

' Температурный стресс создавали экспозицией проростков в термостате TC-S0 М в течении 1-2 часов при температуре 46-50" С. Влечиость роз духа поддерживали на уровне 70-90 х. Опьпы по изучению влияния температурного стресса на ааидофици-руюьую активность корневой системы проводили в следующей последовательности: 5-7 днавкие прорзсты» через час после помещения корней е опытный раствор К1'2 подвергали температурному стрессу в термос.ратс в темноте. Контрольные проростки на время стресса помечали в термостат с температурой 2li2°C. Дальнейшая экспозиция проростков производилась на своту.

Результаты г<кслери«ёитоь статистически обрайатаьали и>г

ЭВМ IBM PC ХТ при помощи пакета прикладных программ SAS американского производства.

II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ II. 1. Оценка гетерогенности семян в колосе пшеницы по аци-дофицирующей активности корней В таблице 1 представлена зависимость массы зерновки и рН питательной среды от положения зерновки в колосе пшеницы (по данным первых зерновок в колосках) для пяти колосьев сорта Саратовская 36. Зерновки наибольшей массы формируются в средней части колоса, с 5-го по 9-й колосок; они формируют более мощные корневые системы и сильнее подкисляют питательный раствор -наименьшие значения рН у зерксеок с третьего по восьмой колоски.

Анализ вариабельности проростков по ростовым и кинетическим характеристикам И*-насосов корней выявил интересную зако^ мерность: наименьшие коэффициенты вариации наблюдаются в средней часта колоса.

Таблица 1

Зависимость массы зерновки и рН питательной среды от положения зерновки в колосе пшеницы (по данным первых зерновок в колосках)

№ РН Ранг Коэф. вар Масса, Ранг Коэф.вар 0» 1 /0

колоска % мг

1 6.13 8 8.1 16.3 12 12.6

. 2 6.11 7 3.8 27.0 9 3.0

3 6.03 5 4.4 31.0 1 4.6

4 6.07 3 5.1 29.8 В 5.7

5 6.08 5 5.1 • 35.7 3 10.3

6 -, 6.05 2 4.4 40.0 1 12.2

7 6.03 1 . 2 8 37.3 2 5.5

8 6.08 5 1.2 34.5 5 1.4

S 6.15 9 1.7 34. ? 4 5.4

to 6.23 10 3.0 31.3 6 8.0

11 6.44 12 9.3 26.1 10 41.1

12 6.33 11 11.3 24.4 11 28.0

Представлены средние данные для 3-х независимых экспериментов по 4 колоса с главного побега пшеницы сорта Саратовская 36. Изучение зависимости ацидофицирующей активности корней

проростков от положения зерноеок в колоске не выявило статистически достоверных различий ыеаду проростками , однако существует устойчивая тенденция к повышенной активности корней у проростков полученных из зерновок, сформированных на щшкадь-

ных концах колосков по сравнений с базапьными.

По результатам исследований был сделан вывод о том. что ацидофицирувдая активность корневой системы проростков пшеницы, полученных из зерновок езятых из разных частей колоса отражает морфофизиологическую гетерогенность семенного материала. Ацидофицирущая способность зерновок, оцениваемая по рН питательного раствора, проявляет четкую зависимость от положения зерновки в колосе: проростки из средней части колоса обладают более высокой ацидофицирующей способностью, и поэтому в последующих экспериментах при сравнении сортов нами отбирались зерновки из средней части колоса.

II 2. О сортовой специфике работы Н*-насосов корней сортов, различающихся по продолжительности вегетационного периода и высоте стебля

Исследование специфики ацидофицирующей активности корней проводили на пяти сортах, различающихся по скороспелости и высоте стебля . Результаты исследований представлены в табл.2, и табл.3. Сорта различались по темпам роста корневой системы и надземной части, по изменению концентрации ионов К* и Н*. по удельной скорости оттока Н*-иокоь.

Таблица 2

Касса корней и надземной части 5-и дневных проростков сортов

мягкой ш15ницц

№ Наование сорта МК. мг МНЧ, мг МК/ИНЧ

Саратовская 35 45. lrl.7 73.8+7.8 0,61

г. Wadadores 63 За. 6+1.9 48.3+9.5 0.80

3. Саратовская 52 42.1+1.4 52.3+3.7 0.81

4. World Seeds 161 39.4+1.9 57.5^7.7 0.68 # 5. Краснокутка 7 57.412.1 74.2+6.1 0.77

KCP0iUS 5.3 20.1

МК - масса корневой системы. МНЧ - масса надземной чаг.ти. В таопкц-s представлены средние арифметические и среднеквадратичны? отклонения для пяти повторностей. Р повторное и ю проростков.

Высокорослые сорта - Саратовская 29 и Краснокутка 7 на пятье сутки ччеперим^нта формировали наиболее мощны* корневые систем!;, поглодали нли5олььео количество калия и сильнее за-киелллк литателокый раствор. Пэлукарлкковые сорта отличались меньшими массами корневой систркы и надземной часта, а также меньаихи скоростями погло^нчл' калия. Ни^костебольныП сорт

Саратовская 52 по изменению концентрации калия не отличался юстоверно от полукарликовых сортов. Между сухой массой корне-зой системы и изменением концентрации ионов калия существовала сорреляционная зависимость (г=0.95) достоверная с вероятностью )>0,95. По удельной скорости поглощения гонов калия между изу-1енными сортами не было статистически достоверных различий.

Изменение концентрации ионов водорода было также связано с зухой массой корней (г-0.81; р>0,95), однако данная закономерность не всегда строго выполнялась. Так. для двух полу-<арликовых сортов. Nadadores 63 и World Seeds 1616. имеюцих ючти одинаковую массу корней (табл.2), сорт с более коротким зегетационным периодом имел достоверно большую скорость оттока зодородных ионов. Это различив было связано с различием в /дельной скорости оттока (табл.3).

Наибольшей удельной активность!) обладали корни полукарликового скороспелого сорта World Seeds 1616, наименьшей - корг зорта Саратовская. 52. Между сортами Саратовская 36 и Красно-кутка 7 не было статистически достоверных различий.

Таблица з

Физиологическая активность корневых систем 5-и дневных проростков сортов мягкой яровой пшеницы

№ Название сорта РН HMÍK.MKM/Г/Ч К* /МК, мкИ/г/ч

1. 2. 3. 4. 5. Саратовская 36 Саратовская 52 Nadadores 63 Краснокутка 7 World Seeds 1616 4.11+0.07 4,22+0,05 4.24+0,06 4.02+0,03 i. 10+0,03 1.10+0.12 0.95+0.12 0.99+0.09 1.12+0.07 1.35+0.08 1.83+0.08 1.78+0.12 1.87+0.12 1.57+0.06 1.79+0.13

рН - кислотность питательной среды через 4 часа после смены раствора: н*/МК - удельная скорость оттока ионов водорода, К*/Ж - удельная корость поглощения ионов калия. В таблице представлены средние арифметические и среднеквадратичные отклонения для пяти повторностей. .

Корреляционный анализ.

При помощи стандартной статистической процедуры были рассчитаны парные коэффициенты корреляции М( ту 11 переменными. характеризующими исследованные сорта (табл.4). Далее, методом "максимального корреляционного пути" строились дендриты (Выханд". 1964). Особенность данного метода состоит б том, что изображаются связи соответствующие максимальным коэффициентам корреляции. Результаты обработки матрицы корреляций представлены на рис. 1.

Переменная Хв - длина побега была сильнее всего связана с переменной Хг - количество калия поглощенного за шесть часов корневой системой проростка без учета массы корней, которая в свою очередь связана с комплексом переменных, отражающих мощность проростка, его корневой системы и надземной части (Х5;Х10 и Хе).Таким образок, высокорослые сорта отличались более мощным развитием корневой системы, что в свою очередь определяло суммарное поглощение калия корнями изученных сортов.

Удельная скорость притока ионов калия Х4 коррелировала с переменной Х5 - масса корней, причем чем выше была масса корневой системы, тем ниже удельная скорость поглощения ионов калия. Очевидно данная закономерность отражает "степень нагрузки* на корневую систему, которая существенно возрастает при уиеььшении массы корней.

Важно такяе отметить, что в наших опытах практически отсутствовала связь между удельной скоростью Н*-оттока и скоростью притока ионов калия (Х3 и X*), коэффициент корреляции

Таблица 4

Описание переменных, использованных при расчетах

■ Н® Переменная п/п

Условное обозначение

Единицы Примечание измерения

1 Н'-отток без учета массы корней на

1 проросток

2 К*-поиток без учета массы корней на

1 проросток

3 Скорость Н*-оттока

4 Скорость К*-притока

5 Масса корневой системы

6 Масса надземной ча-- ста

7 Отношение массы корней к кассе побега

О Длина по .та

9 Вегетационный период Х9

X. мкМ/ч В среднем за

6 часов после

хг ККМ/Ч смены раствора

В среднем за

6 часов после

мкМ/г»ч смены раствора

Хэ

А мкМ/г»ч

х» кг

у* мг

х7 нет По данным полевых

X. см

«9

10 Биомасса

11 Отношение скорости Н* оттока к скорости К*-нритока X.,

дни нг

нет

опытов в среднем за С 982-86 гг.) По данным полевых опытов в среднем за (1982-8о гг.)

•=■0,03, что с одной стороны противоречит имеющимся в литерату-ю . данным, а с другой стороны позволяет говорить о том, что :вязь между этими .показателями не является прямой и очевидной.

Удельная скорость Н*-оттока Х3 была тесным образом связа-1а с переменной X,, - отношением скоростей Н*-оттока и Г-фитока (Х3/Х4). которая в свою очередь связана с переменной :з - продолжительность вегетационного периода (г—0,76). Ско-)оспелые сорта, таким образом, отличались повышенными скоростями экструзии протонов. Данная закономерность очевидно отра-¡ает физиологические особенности скороспелых сортов. Главные зизиологические различия между сортами разной скороспелости ¡вязаны с ритмом роста и развитая и сояряшшых с ними физио-юго-биохимических процессов. У скороспелых сортов в начале югетации все процессы протекают интенс-.внее (Краков, 1985).

Особое место занимает переменная Х7 - отношение кассы сорневой системы к массе надземной части. Этот погжзаталь бы., ¡вязан только с. переменной Ъ - масса надземной части и не ¡вязан с другими переменными. Очевидно, этот показатель спродляется факторами, которые в данном опыте не учитывались.

Рис.1 .Максимальный корреляционный путь, построенный по езульт.там изучения ростовой и физиологической активности орневой системы. Условные обозначения переменных даны в соот-етствии с таблицей 4. 1 - положительные связи, 2 - отрицательна связи.

-.и -Факторный анализ.

На основе полных матриц линейной корреляции можно перейти к факторному анализу, как к обобщающему этапу исследования системы связей между признаками (Афифи, 1982). Факторный анализ основан на предположении, что согласованная изменчивость ¡•рупп признаков определяется их общей зависимостью от некоего (скрытого от непосредственного наблюдения ) фактора или "главной компоненты". Методика факторного анализа состоит в последовательном нахождении нескольких независимых факторов (Р,; Тг: Р3 и т.д.), причем первый Фактор извлекает максимум дисперсии из полной (исходной) матрицы, второ"' - из остаточной матрицы, образующейся попе вычитания всех связей определяемых влиянием первого Фактора, и т.д.. и наибольший интерес представляет обычно биологическая интерпретация "главных компонент".

Факторная нагрузка представляет собой.коэффициент корреляции между переменной и соответствующим фактором (Афифи, 1.982). Для интерпретации факторов рассмотрим нагрузки большие некоторого порогового значения (г>0,5). В таблице эти нагрузки помечены звездочками.

Таблица 5

Факторная структура изученных признаков.

(Обозначение переменных см. табл.4.)

Переменная Факторные нагрузки Суммарная Р, ?г Р3 дисперсия

Х| XI

8!

Хб X,

I

о

0,74* 0,92' -0,10 -О, 71* О, 97* 0.86* -0,16 0. 78* О, 03 0. 96* 0.34

0.57* -0,07 0,63* -0,23 0.11 0.15 -0.17 -0.34 ••0.87' 0,15 0.90*

-0.13 -0.13 -0.30 -0,40 О, 17 -0,47 О, 76* -0,33 -0. 06 -0.23 -0,04

Суммарная Факторная дисперсия, 55

55.2

31.2

13.6

100

Выделенные факторы поддаются удовлетворительной биологической интерпретации. Фактор Г,. вклгчаюший в себя 55.2 а изменчивости переменных. объегннягГ те из них., которые позволяют

назвать его фактором суглмарной мощности растительного организма. С этим основным фактором связаны: биомасса, высота стебля растений (X,0i Х8); им определяется также суммарный Н*-отток и К*-приток в расчете на один проросток (X,. Х2). Важно отметить .что корнеобеспеченность (Х7) практически не связана с этим фактором.

Фактор Fz (31.2 % изменчивости ) отвечает за удельную скорость Н*-оттока (Х3) и характеризует, очевидно, темп физио-лого-биохимических процессов в растительном организме, так как с этим фактором связана продолжительность вегетационного периода (Х,). а также отношение скорости Н*-оттока к скорости притока ионов калия (X,,). Этот фактор был назван нами фактором скорости процесса обмена веществ.

Фактор F3 (13.6 % изменчивости) связан только с переменной Х7 - отношение массы корней к массе надземной части и был интерпретирован нами, как корнеобеспеченность растения. Все три фактора учитывают 100 % изменчивости изученных признаков.

II. 3. О специфике реакции Н*-насосов корней сортов, различающихся по устойчивости к засухе, на температурный отреоо

Изучение влияния температурного стресса на физиологическую активность корней яровой пшеницы проводили на 12-и сортах, которые были подобраны парами по продолжительности вегетационного периода и устойчивости к засухе Устойчивые сорта селекции ККИСХ йго-Востока. неустойчивые в основном иностранного прокс-хожде! .я.

При температуре 4о0С, экспозиция 1 и 2 часа наблюдалось снижение активности Н*-насосов корней. Наибольшие различия при этом режиме стресса между контрольным и опытным вариантами наблюдались в первые 4 часа. В течение суток активность Н*-насосов корн я полностью восстанавливалась.

При температуре 50°с. экспозиция 1 час активность Н*-оттока подавлялась сильнее, а при режиме стресса 2 ч.* 50° С за-кисление раствора в первые четыре часа сменялось защелачивани- ' ем. При этом активность Н*-насосов в течении первых суток полиостью подавлялась. При этом режиме стресса температура пита-г тельной среды достигапа 46°С. Дальнейшее увеличение времени' экспозиции проростков в термостате вызывало полное подавление активности корневой системы, что может быть связано с сущест-

- 13 - .

венным повреждением систем активного транспорта.

Анализ удельных скоростей оттока Н* -ионов в первые 4 часа после стресса показал, что скорость Н*-оттока снижалась на 10-50 %. При этом активность Н*-насосов сильнее снижалась у устойчивых сортов. .

Сравнительное изучение влияния температурного стресса на активность корней 12 сортов проводили в режиме 2 ч..* 50°С + 2 ч. * 21° С (табл.6). При этом режиме стресса в опыте наблюдалось защелачивание питательного раствора ( знак " - " рНст означает защелачивание).

Таблица 6

Влияние температурного стресса на подкисление питательного раствора корнями контрастных по устойчивости сортов мягкой

пшеницы

Название сорта

Устойчивость

ДрН

АрНсг

АрН/ДрНс,

Альбидум 1616 высокая 0.61±0.01* -0.35+0.01 -1.74+0.02

БеШгК низкая 0.56+0.06* -0.38+0.08 -1.47+0.20

Эритросперкум 841 высокая 0.64+0.01* -0.: 3+0.02 -1.94+0.07*

Ботаническая 2 низкая 0.50+0.01* -0.38+0.02 -1.32+0.04'

высокая 0,68+0.04* -0.43+0.02 -1.58+0.06

низкая 0.44+0.02* -0.29+0.11 -1.52+0.49

высокая 0.59+0.09 -0.46+0.05 -1.28+0.13

низкая , 0.47+0.08 -0.48+0.08 -1.00+0.09

высокая 0.60+0.01 -0.22+0.03 -2.73+0.22*

низкая 0.59+0.04 -0,34+0.05 -1.74+0.15Г

высокая 0.52+0.10 -0.36+0.01 -1.44+0.15

низкая 0.44+0.12 -0.44+0.13 -1.00+0.25

Саратовская 29 Opal

Альбидум 1997 Dl&nant

Саратовская 48 Вг. Аг1г

Lutescens 758 Yenus

ДрН - изменение рН среды за первые четыре часа после смены раствора без температурного стресса (контроль), ДрНст - изменение рН среды за первые четыре часа после смены раствора при температурном стрессе (2 часа» 50°С+ 2 часа * 21°С). В таблице ' представлены средние арифметические и стандартные ошибки.* -различия в паре статистически достоверны с вероятностью

Устойчивые к засухе сорта мягкой пшеницы по изменению рН в . контроле превосходили соответствующие неустойчивые сорта. Статистически достоверными были отличия для первых трех пар сортов. При температурном стрессе корни устойчивых сортов слабее защелачивали раствор, что может Сыть связано с большей устойчивостью Н*-насосов плазмалеммы их корней к повышенной температуре.

- 14 -

В качестве показателя, характеризующего тепературную устойчивость Н*-насосов корней мы выбрали отношение изменения рН в контроле к изменению рН при температурном стрессе ДрН/ДрН0Т. Данный показатель удовлетворительно описывал изменение устойчивости в изученных парах сортов.

II. 4. Изменение Физиологической активности корней в процессе селекции сортов пшеницы яровой в КИИСХ Юго-Востока

Для оценки изменения физиологической активности корней сортов пшеницы в процессе селекции в селекцентре НйИСХ Юго-Востока нами были отобраны 12 сортообразцов яровой пшеницы . которые бьши сгруппированы по продолжительности вегетационного периода в два блока - среднеранние и среднеспелые сорта. В опытах изучались ростовые показатели - массы корневой системы и надземной части и кинетические параметры Н*-насосов корней: скорости оттока ионов водорода и притока ионов калия.

При анализе морфологических показателей найдены статистически достоверные отличия по массе корневой системы и надземной части у проростков исследованных сортов. Так сорта Саратовская 46, Саратовская 54 и Саратовская 56 практически во всех экспериментах достоверно превосходили по массе корневой систекы стародавний сорт Лютесценс 62. однако все остальные ссрта таклее обычно не уступали по массе корневой системы сорту Латесценс 62. Различия по массе надземной части между изученными сортами были значительно меныае. Наилучшие по атоиу пока-зател. - Саратовская 29 и Саратовская 58 превосходила Лютесценс 62 в 1.2 раза. Ваг ) также отметить, что практически все сорта отличались большей корнеобеспеченносТью. даже если по абсолютной кассе корней не сильно превосходили Лютесценс 52.

При исследовании кинетических характеристик Н*-насосов корневой с..стемы 12-и сортов установлено, что скорость оттока ионов водорода зависила от скорости притона ионов калия с коэффициентом корреляции ¡г«0,65+0.24). что хорошо согласуется с данными, представленными в работах ( Glass et al.,1981; Егорова, 1983; Воробьев. 1988).

Оценку Физиологической активности корневой системы производили с учетом различий в скороспелости указанных сортообраз--цов. среднеранние сорта сравнивали' с сортом Лютесценс 62. среднеспелые - с Саратовской 29 (табл. 7.8);

- 15 -

В группе среднеранних сортов по скорости притока ионов калия Альбидум 43 и Альбидум 1616 достоверно не отличались от исходного сорта. Сорта полученные после 1970 года имели достоверно меньшие скорости К4-притока - для 5-и дневных проростков №300 и №637 она составляла меньше 50 % от исходного сорта. Различия по скорости оттока между среднеранними сортами значительно меньше - ьаибольшие различия здесь также проявляются между исходным сортом Лютесценс 62 и современными сортообраз-цами - №300 и №637. Скорость удельного Н*-оттока для этих образцов составляет 70-80 % по сравнение с Лютесценс 62. Несоответствие кинетик поглощение ионов калия и выделения протонов водорода очевидно может быть связано с протонироваиием апоп-ласта. или наличием переходного процесса в индукции протонного насоса (Вахмистров. О Эн До, 1993), однако следует отметить, что ранжирование сортов по скорости Н*-оттока (Лютесценс 62 > Альбидум 1616 > Саратовская ¿6 > №300 > Альбидум 43 > №637) и скорости притока иоков калия (Лютесценс 62 > Альбидум 1616 > Альбидум 43 > саратовская 56 > №300 > Н°гз7) позволяет сделать вывод о том, что оба эти показателя адекватно описывают изменение активности корневой системы различных сортов. Низкая скорость Н*-оттока у сорта Альбидум-43 по сравнению со скоростью поглощения калия очевидно может отражать какие-то специфические особенности в строении корневой системы, определяющие высокую протонную емкость апопласта. В 'условиях жаркого" климата данный сорт демонстрирует высокую развитость репара-тивных свойств зерна и особд приспособлен к засушливым услови-. ям прорастания (Каталог ВИР., 1986). Протонная емкость апопласта может быть тесным образом связана с катиойообменной емкостью корней, которая также может быть связана с урожайностью. Остальные сорта демонстрируют устойчивую тенденцию --с. увеличением общей мощности корневой системы в процессе селекции снижается удельная активность корней. Прораняшровав сорта по корнеобеспеченности мы получим ряд ( Лютесценс 62 < Альбидум 1616 < Альбидум 43 < Саратовская 56 - №300 < №637) почти полностью совпадающий с рядом по скорости притока ионов калия.

Анализ группы среднеспелых сортов выявил во многом сходные закономерности. По скорости притока ионов калия и скорости оттека ионов водорода все изученные сорта .существенно уступали Саратовской 29. Ранжирование сортов w> корнеобеспеченности

(Саратовская 29 < Саратовская 58 < Саратовская 35 < Нв639 < Саратовская 54 < Саратовская 46) и скорости Н*-оттока (Саратовская 29 > саратовская 36 > №639 > Саратовская 58 > Саратовская 46)также демонстрирует большое сходство между этими показателями.

Таблица 7

Физиологическая активность корней 6-и дневных проростков мягкой пшеницы сортов селекции НИИСХ »го-Востока (среднеранние сорта /всходы - колошение в 1991 г. 41-44 дня/).

Сорт К*-приток, мкМ/г*ч 55 к Лютесценс 62

Лютесценс 62 2.41+0,40 100

Альбидум 43 1,85+0,51 76

Альбидум 1616 2,28+0,35 95

Саратовская 56 1,47+0,43 61

N° 300 1.18+0,39 49

№ 637 1,03+0,54 43

В среднем по группе 2.04.

В таблице представлена средние арифметические и стандартные отклонения для шести повто'рностей

Таблица 3

Физиологическая активность корней 6-и дневных проростков мягкой пшеницы сортов селекции НИИСл Вго-Востока (среднеранние сорта /всходы - колошение в 1991 г. 41-44 дня/).

Сорт Н*-оттек,мкМ/г«ч % к Лютесценс 62

Лютесценс 62 1.83+0,20 100

АльбИДУМ 43 1.41+0.15 77

Альб! -ум 1616 1,.19+0,07 81

Саратовская-56 1,44+0,22 79

300 1,43~0.24 78

№ 637 1,26+0.22 • 69

Среднее по группе 1,48

!: таблице представлены средние арифметические и стандартные отклонений для шести повторноитей

Корреляционный анализ.

Для более полного анализа результатов опытов с семенами различных лет репродукции пыли проведены корреляционный и факторный анализы. Результаты опнтсв были объединены в исходную матрицу и были рассчитаны парные коэффициенты корреляции между всеми переменными. Характеристика переменных приведена в 'таб-. г.ице . Обработку матрицы интеркорреля^й проводили методом ' "мздеимальього корреляционного лути" (рис.2».

- 17 -

Центральное место среди переменных, изученных в" экспериментах, занимает переменная X« - удельная скорость притока ионов калия, которая оказалась хорошо связана сразу с 4-мя переменными: Хг - суммарной скоростью поглощения калия, рассчитанной без учета массы корневой системы, Х3 - удельной скоростью оттока ионов водорода, Х5 - массой корневой системы и Х7 - отношением массы корней к массе побега, причем с последними переменными связь отрицательная - для сортов с большей массой корневой системы и корнеобеспеченностью характерны меньшие удельные скорости оттока ионов водорода и поглощения ионов калия.

Между скоростью Н*-оттока (Х3) и вегетационным периодом (Хз) имеется отрицательная связь однако коэффициент корреляции для данной группы сортов значительно ниже чем это было показано в п. 11.2. Данный результат очевидно определяются спецификой подбора сортов, так как.различия по продолжительности вегетационного периода между сортами в данном эксперименте зна-

таблица 9

Описание переменных, использованных ари расчетах

№ Переменная п/п

Условное Единицы Примечание обозначение измерения

1 Н*-отток без учета массы корней на

1 проросток

2 К*-приток без учета массы корней на

1 проросток

3 Скорость Н*-оттока

4 Скорость к*-притока

5 Масса корневой сис-

темы

6 Масса надземной части

7 Отношение массы корней к массе побега

8 Длина побега

X,

• Хг

4

х5

х7

А

мкМ/ч

мкМ/ч

МКМ/Г»Ч мкМ/г*ч

мг

мг

нет см

В среднем за 6 часов после смены раствора В среднем за 6 часов после смены раствора

9 Период всходы-колошеиие X,

10 Биомасса Х10

11 Год выделения рсдоначальных растений X,,

дни

мг нет

По данным полевых опытов в среднем за (1991-92 гг.) По данным полевых опытов в среднем за (1991-92 гг.)

чите."ь:;о меньше.

Ростовые показатели - касса корневой системы проростков

(Х5), биомасса (Х,0) и масса надземной части (Х^) образуют тесно связанный комплекс показателей коррелирующий, как с активностью корневой системы (Хг. Хэ и Х4), так с высотой растений в поле (Хв и Х8).

_0.63 _

ПП—РП

^ 0.58-0,74

-0,46 0.74 0.95 -0,66 0.87 0.84

ЕНЭ—Iн х5 ГУ!

-0.68

Рис. 2. Максимальный корреляционный путь, построенный по ре-¡ульта 1М изучения ростовой и физиологической активности кор-шзой системы. Условные обозначения переменных дакк в соот-¡зтствии с таблицей 9.1 - положительные связи, 2 - отрицательно связи.

В качестве показателя, описывавшего ход селекционного фоцесса. нами был выбран год выделения родоначальных растений X,,) (Каталог мировой коллекции ВИР. 1986). Данный параметр :оррелировал о комплексом переменных, определяющих рост и филологическую активность корневой системы (X,. Х3, X«. Х5 и :7) - именно по этим показателя« различались сорта различных 1ет селекции.

Факторный анализ. В результате процедуры факторного анализа переменные

группируются вокруг трех основных факторов. Первый фактор включает в себя 55,2Я общей изменчивости признаков, второй фактор - 32,635 и третий - 12,2 % соответственно.

В результате от первого фактора зависили: Х2 - калий приток без учета массы корней на один проросток, Х3 - скорость Н+-оттока, Х4 - скорость притока ионов калия, Х5 - масса корневой системы прорсзтка, Х7 - отношение массы корней к массе побега, Х10 - биомасса проростка и Хи - год выделения родона-чальных растений. Именно по этим показателям отличались проростки сортов различных лет селекции - фактор Г, интерпретирован нами, как фактор селекционного процесса. Со вторым фактором были связаны: X, - К*-отток без учета массы корней, Х5 - масса корневой системы, Х6 - масса надземной части проростка, Х8 -высота растений в условиях поля и Х10 - биомасса проростка. Фактор Гг по структуре определяемых им признаков в данном эксперименте оказался схсден с '¿актором Г, в п. 11.2 к и был интерпретирован. как фактор суммарной мощности, растительного организма. Фактор Р3 связан только с переменной Х3 - скороспелостью сорта и интерпретирован, как фактор скорости процесса разешшя сорт.

В Ы В О Д Ы • •

1. Ацидофицкрующая активность корневой системы проростков пшеницы, полученных из зерновок взятых из разных частей колоса отражает морфофизиологическую гетерогенность семенного' материала. Ацидофнцирующая способность зерновок, оцениваемая по рН питательного раствора, проявляет четкую зависимость от положения зерновки в колосе: проростки из средней части колоса; обладают более высокой ацидофицирующей способностью. Удельная скорость оттока водородных покое не связана с ' матрикальной разнокачестаенкостья и отражает специфику работы Н*-насосов, корней.

2. Б опытах с проростками сортов яровой пшеницы, различающихся по продолжительности вегетационного периода и высоте стебля показано, что высокостебельные сорта отличаются мощной корневой системой и высокой суммарной скоростью поглощения калия и оттока конов ьодореда Скороспелые сорта существенно превосходят позднеспелые по удельной скорости оттока ионов во-дореда.

'л. Выделены и инт-зрпр^тированы три Фактора, определяющие

ного влияния на эту активность рассмотренных биологических особеностей изучаемого материала.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации 1.111игаев А. Н., Воробьев Л.Н. Оценка коррелятивных связей ростовых процессов и ацидофицирущей активности корней // Вопросы биохимии и физиологии растений и микроорганизмов. - 1991.- Саратов. СГУ.-С. 43-46.

2. Шигаев А. Н. ОЩкка зв"язку ацидоф!куючо1 активност1 ко-рен1в з скоростигл1стю та висото1 рослин пшениц1.11 съезд унраинского общества Физиологов растений. Тез.докл.- Киев. 1993.-С.133-134.

3.Шигаез А.Н. Влияние температурного стресса на ацидофи-цирушую активность корней мягкой пшеницы.- В кн. Обеспечение эффективного функционирования производственного потенциала агропромышленного комплекса России в условиях рыночных отношений.- Воронеж,- 1993.-С. 144-145.

4.Шигаев А.Н. Эволюционные аспекты поглощения гллия и оттока ионов водорода в процессе селекции яровой пшеницы в селеккентре НИИСХ Юго-Востока.- 11 е.- в печати.

5. Шигаев А.Н. Ацидофицирувщая активность корневой системы .как критерий оценки физиологической активности корней.- 10 с. - в печати.

Поли, к псы-,и Г?«И01 г. «'0|.ма1 № "И 1116 ОСИл* 1,25 п. л. Тира« !<)<|. 3:т. 113

Ротапринт Оргтсаскию СХМ ¡1*. Н. И. Вашиоиа Сэ;>атчи, Тмтролитя пл., 1

- 20 - ,

специфику ростовой и ацидофицирующей активности корней4 сортов различных по скороспелости и высоте стебля. Фактор Р, - фактор сварной мощности растительного организма определяет биомассу, высоту стебля растений, а также суммарные скорости поглощения калия и оттока ионов водорода. Фактор ?г -фактор скорости физиолого-быхииических процессов определяет удельную скорость Н*-оттока и продолжительность вегетационного периода. Фактор Г3 интерпретирован как корнеобеспеченность растений.

4.Сорта яровой пшеницы, контрастные по засухоустойчивости, различаются по характеру реакции 1Г -насосов корней на температурный стресс: слабый стресс вызывает увеличение активности корневой системы у неустойчивых сортов и снижение скорости оттока у устойчивых. Степень подавления активности Н+-насосов корней при сильном температурном стрессе выше у устойчивых сортов.

5. При продолжительном ' температурном стрессе отмечена смена направления потока водородных ионов - отток сменяется притоком, причем скорость защелачивания питательного раствора существенно кыше у неустойчивых сортов.

6. Б процессе селекции сортов пшеницы отмечено изменение сак мощное?и корневой системы, так и. ев удельной активности. Все изученный сортообразцы по мощности корневой системы 5-7-и дневных проростков превосходят стародавний сорт Лютесценс 62 в, 1,1-1,4 раза и уступают по удельной скорости оттока ионов водорода и притока ионов калия.

7.Выделены и интерпретированы три фактора, определяйте изменчивость признаков корневых систем сортов пшеницы, иолу-: ченных в разике годы в селекцентре НИИСХ Юго-Востока. Фактор V, - фактор селекционного процесса, включает показатели, изменившиеся в процессе селекции: удельные скорости Н"-оттока'и ; притока ионов калия, массу корней и корнеобеспеченность. Фактор Гг - фактор суммарной мощности растительного организма коррелирует с биомассой, массой корней и надземной части, и высотой стебля растений в полевых условиях. Фактор Г3 - фактор темпа процесса развития связан со скороспелостью изученных образцов.

8.В целом ацидоФицируюшоя активность корней может бить с успехом использована для быстрой оценки Физиологической активности корней сортов ь селекционной практике, с />-:-том вьк'влен -