Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биоэлектрические потенциалы пшеницы и тыквы в связи с процессами прорастания

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Федулина, Слава Борисовна, Нижний Новгород

¿л/- ^ /

/

НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ФЕДУЛИНА Слава Борисовна

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ПШЕНИЦЫ И ТЫКВЫ В СВЯЗИ С ПРОЦЕССАМИ ПРОРАСТАНИЯ

03.00.12. - физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук профессор Рубцова М.С.

Научный консультант -кандидат биологических наук доцент Ретивин В.Г.

Нижний Новгород -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений 4

Введение 5

Глава 1. Обзор литературы 8

1.1. Прорастание семян 8

1.2. Стресс у растений 26

1.3. Колебательные процессы и поляризация в растительных

организмах 43

1.4. Биоэлектрические потенциалы высших растений 54 Глава 2. Объекты и методы исследования 71

2.1. Объекты исследования 71

2.2. Методы исследования 71

2.2.1. Прорастающие семена пшеницы и определение разности потенциалов прорастающих семян пшеницы 71

2.2.2. Действие различных концентраций ИУК на прорастающие

семена пшеницы 74 2.2.3.Определение скорость включения 14С-тимидина в ткани

зародышей прорастающих семян пшеницы 75

2.2.4. Определение интенсивности дыхания прорастающих семян

пшеницы 76

2.2.5. Определение активности каталазы 76

2.2.6. Определение суммарной активности амилаз 77

2.2.7. Регистрация БЭР на действие КС1 и механическое

раздражение прорастающих семян пшеницы 78

2.2.8. Регистрация РП и БЭР на тест-охлаждение прорастающих

семян тыквы 80

2.2.9. Регистрация БЭР на тест-охлаждение у препаратов

гипокотилей проростков тыквы и интактных растений 82

Глава 3. Результаты и их обсуждение 85 3.1. Динамика разности потенциалов прорастающих семян

пшеницы и тыквы 85 3.2. БЭР в ответ на раздражение прорастающих семян пшеницы

и тыквы и их возможная роль в процессе прорастания 106

Заключение 119

Выводы 121

Список использованной литературы 123

Список сокращений Ак - амплитуда биоэлектрической реакции контрольного растения Апд - амплитуда биоэлектрической реакции опытного растения Адеп - амплитуда надпороговой деполяризации

Адкеп - амплитуда надпороговой деполяризации в опытах с распространяющимся потенциалом действия

Ащ - амплитуда надпороговой деполяризации в контроле

б.ч - биологический час

БЭП - биоэлектрический потенциал

БЭР - биоэлектрическая реакция

П - время от момента замачивания до проклевывания семени

ПД - потенциал действия

ПП - потенциал покоя

РП - разность потенциалов

ЭФГ - электрофитограмма

Ев - диффузионная компонента потенциала покоя Ет - мембранный потенциал

Ер - электрогенная (активная, метаболическая) компонента потенциала Покоя

Уй! - пороговый потенциал

ЛИ - разность биоэлектрических потенциалов

дА - интервал времени от момента регистрации ПД до начала промораживания

ВВЕДЕНИЕ

Между полярными концами органов и различными участками растительных тканей регистрируется разность потенциалов (РП), отражающая уровень их обмена веществ. Поскольку изменения этих потенциалов происходят медленно, их условно относят к потенциалам покоя. Характерная особенность этих потенциалов - их генерация в процессе основного обмена веществ, не измененного явлениями возбуждения или повреждения (Медведев, 1996). Мембранные потенциалы отдельных клеток приводят к формированию интегральной электрической полярности, показателем которой является регистрируемая поверхностно разность потенциалов. Важно отметить, что РП тканей и органов растений могут быть опосредованы некоторыми процессами, которые имеют место только на тканевом или организменном уровнях - водно-ионными потоками, дальним транспортом метаболитов и т.д. Можно считать, что поверхностно регистрируемые РП - это явление более сложного порядка, чем мембранные потенциалы отдельных клеток (Рубцова, 1993). РП - интегральный показатель, который позволяет по электрическому критерию адекватно оценивать состояние целого органа или ткани. Подтверждением этого является целый ряд данных литературы, показывающих хорошую корреляцию поверхностно регистрируемых РП с физиологическими процессами (Lund, 1947, Полевой, 1989, Паничкин, 1990, Опритов и др.,1991).

Разность биоэлектрических потенциалов органов и тканей растений рекомендуется как интегральный показатель для диагностики физиологических процессов и функционального состояния растительного организма. Этот метод может быть применен для прогноза урожайности (Рубцова и др., 1994, Крутова и др., 1997, Лебедева, Рубцова, 1997), устойчивости к неблагоприятным факторам (Гунар и др.,1971, Стадник, Боберский, 1976, Третьяков и др., 1996), при оценке пола растений (Мишин и др., 1994). РП используются также для определения жизнеспособности семян (Подпиток, 1990, Рубцова, 1990, Андреев, 1993) Показана тесная связь между изменением РП прорастающих семян с такими физиологическими показателями как поступление воды, передвижение амино-

кислот, динамика ДНК и РНК, интенсивность дыхания, АТФ-азная активность (Рубцова и др, 1984, 1990).

Важной электрофизиологической характеристикой растения являются биоэлектрические реакции (БЭР), регистрируемые при внешнем раздражении объекта. Работами многих авторов показано, что БЭР интегрально отражают жизнеспособность растительного организма (Синюхин, Горчаков, 1963; Масло-брод, Пирожок, Лысиков, 1989; Опритов, Пятыгин, Ретивин, 1991; Паничкин, Черницкий, Буко, 1991, Паничкин, Черницкий, 1994).

Однако биоэлектрогенез на ранних этапах онтогенеза растений изучен не в полной мере, а работы в этой области, выполненные на прорастающих семенах, единичны (Nelson, Burr, 1946, Шабала, Маслоброд, 1993, Рубцова, 1993, Маслоброд и др., 1994, Маслоброд, 1998). По имеющимся данным литературы трудно составить полное представление об общих закономерностях изменениях биоэлектрических потенциалов различных растений в процессе прорастания. На сегодняшний день практически отсутствуют данные о генерации БЭР прорастающими семенами при раздражении. Эти изменения позволяют судить о способности клеток активно реагировать на внешнее воздействие по появлению в них импульсных электрических реакций в ответ на тест-раздражение (Опритов, Пятыгин, Ретивин, 1991). Исследование импульсной электрической активности прорастающих семян представляет собой интерес как в плане выяснения природы этого явления, так и в плане получения сведений о возможных путях преобразования электрического сигнала растений в адаптивный ответ.

Целью данной работы являлось выявление общих закономерностей в изменениях разности потенциалов прорастающих семян пшеницы и биоэлектрических реакций в ответ на раздражение семян пшеницы, тыквы и проростков тыквы и оценка физиологической роли этих биоэлектрических явлений.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1)изучить индивидуальные особенности изменения РП прорастающих семян пшеницы; 2)провести количественный анализ характера изменений РП семян пшеницы и тыквы на разных этапах прорастания, учитывая индивидуальные

различия биологического времени при прорастании каждого семени; 3)исследовать изменения РП семян пшеницы, прорастающих в растворах ин-долилуксусной кислоты (ИУК) стимулирующей и угнетающей концентрации для оценки их воздействия на динамику РП и скорость синтеза ДНК; 4) выявить возможную связь РП с метаболическими процессами на примере интенсивности дыхания и активности каталазы и амилазы; 5) охарактеризовать местные БЭР в ответ на раздражение у прорастающих семян пшеницы и тыквы; 6) исследовать роль потенциалов действия (ПД) и подобных ПД местных биоэлектрических реакций в гипокотилях проростков тыквы.

Данная работа выполнена на кафедре ботаники и физиологии растений Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии, частично исследования проводились на кафедре биофизики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Глава 1. Обзор литературы 1.1. Прорастание семян

Прорастание представляет собой сложный комплекс различных биологических, морфологических и физиологических процессов, обеспечивающих переход семени из почти инертного состояния (анабиоза) в состояние наиболее активного роста.

Структура семени в общем виде несложна. Семя состоит из зародыша, эндорсперма и семенной кожуры. Естественно, что строение, степень развития и свойства отдельных его элементов сильно варьируют. Основная масса семени образована запасающими тканями, являющимися вместилищами запасных веществ семян, значительно меньшая доля приходится на долю осевых органов зародыша. В качестве запасающей ткани семени у подавляющего числа видов покрытосеменных растений функционируют паренхимные клетки семядолей или специализированная запасающая ткань - эндосперм. В осевых органах также происходит отложение запасных веществ, в том числе и белков. Установлено, что, несмотря на близкий компонентный состав, части семени существенно различаются по фракционному составу белков: в эндосперме значительно превалирует глобулин, в осевых органах - альбумин, а в семядолях эти группы белков присутствуют примерно в равных количествах (Соболев, Дмитриева, 1983).

Необычные свойства, выработанные в процессе эволюции, проявляются у семян в их способности в какой-то момент резко и радикально менять ход метаболизма, от процессов, связанных с формированием зародыша, других элементов семени и отложением запасных веществ к процессам гидролиза этих веществ и их использованием на рост зародыша при прорастании (Дженн, Амен,1982).

Огромное значение в жизни семян имеет способность находиться в состоянии покоя. Покой семян можно рассматривать как необходимое, физиологически обусловленное состояние, при котором максимально сохраняется их жизнеспособность и обеспечивается возможность переносить неблагоприятное

для функционирования растений время года (Николаева, 1967). Под покоем семян понимается способность их длительное время (от нескольких недель до нескольких лет) сохранять жизнеспособность при отсутствии ряда необходимых факторов. Переход зародыша в состояние покоя проявляется в том, что семена не прорастают, оставаясь живыми (Лодкина и др., 1971; Томас, 1978).

В одних случаях семена не прорастают вследствие отсутствия необходимых внешних условий, например воды, и т.п.; такой покой называют вынужденным (quiescence). Основным фактором, определяющим и регулирующим этот тип покоя, является неблагоприятный водный, температурный, газовый и световой режим. Наряду с вынужденным покоем многие семена обладают свойством не прорастать при самых благоприятных для этого условиях, т.е. находиться в органическом или глубоком покое (dormancy). Таким образом, вполне жизнеспособное семя может не прорастать даже в условиях, которые обычно благоприятны для роста. Эти семена требуют от окружающей среды специфического стимула, который не действует постоянно, а лишь запускает процесс прорастания (Кан, 1982).

Подробная классификация таких типов покоя разработана М.Г. Николаевой (1967). Она подразделяет органический покой на экзогенный и эндогенный. К экзогенному типу относятся физический и механический покой, регулируемые водонепроницаемостью покровов, а также химический покой, возникающий в результате действия ингибиторов околоплодника.

Эндогенные типы гораздо многочисленнее и состоят из двух групп: морфологического (недоразвитие зародыша) и физиологического типов, а также их разнообразных комбинаций. Основой этих типов является наличие физиологического блока прорастания. Фактором, регулирующим физиологический покой считается баланс фитогормонов в семенах, соотношение стимуляторов (ИУК, гиббереллинов и цитокининов) с ингибиторами (в основном АБК и веществами фенольной природы) (Разумова и др., 1975; Полевой, 1988). Обнаружение запаса эндогенной АБК в семядолях покоящихся семян тыквы и высокой чувствительности к экзогенному фитогормону изолированных семядолей позволило

предположить, что АБК является природным регулятором роста и метаболизма (Кукина, и др., 1985). Эндогенная АБК подавляет рост семядолей и развитие в них активности ряда ферментов, синтез белка и РНК. В противоположность действию АБК, цитокинин активирует рост и метаболизм семядолей. Очевидно, именно антагонизм этих двух фитогормонов способен обеспечивать регуляцию процессов прорастания (Заякин и др, 1992, McWha, 1976; Wang, Heimovaare-Dijkstra, 1995). В последние годы выявлены и активно изучаются новые вещества гормонального действия (фузикокцин и жасмоновая кислота), способные также регулировать покой и влиять на прорастание семян (Далецкая, Зембд-нер,1989). Физиологически высокие и низкие температуры являются теми факторами окружающей среды, которые могут активировать метаболические процессы в покоящихся семенах (Рогожин, Романова, 1997). По мнению А.Кана, в семенах с органическим покоем при стратификации гибберелину отводится первичная роль в регуляции покоя, а ингибиторам и цитокининам - вторичная, то есть предохраняющая и разрешающая активацию метаболизма и рост. Им предложена так называемая фазовая концепция гормональных изменений при стратификации, которая предполагает смену гормонального лидерства в период холодовой обработки при избирательном действии указанных гормонов в разных точках приложения (Кан, 1982). Кроме того, четко показано участие этилена в выходе семян из глубокого покоя (Esashi, 1991).

После окончания органического покоя семена с живыми зародышами становятся способными к прорастанию. Что же такое способность к прорастанию? По существу это способность зародыша возобновлять ростовые процессы (в конечном итоге - деление клеток), которые были приостановлены ранее. Прорастание семян принято рассматривать как восстановление активного роста, связанного с репликацией генома. Bewley J.D., Black M. определяют прорастание как ряд процессов, начинающихся поглощением воды и завершающихся проникновением корешка через покровы семени. Мобилизация запасных веществ, по их мнению, не является непосредственным компонентом прорастания (Bewley, Black, 1978).

При прорастании (возобновлении роста) семени ключевым или пусковым фактором является водопоступление, так как метаболические процессы, происходящие в семенах во время прорастания требуют гидратации коллоидов во всех тканях семени (Леман, Айхеле, 1936; Аксенов и др., 1982; Прокофьев и др.,1983; Обручева, Антипова,1985; Bradford, 1990, 1995). Вода, поступая в семена, восстанавливает и создает активную конформацию макромолекул цитоплазмы клеток, образуя единую и целостную структуру, принимая непосредственное участие в обмене веществ пробуждающегося организма (Воробьев,1983).

Вода представляет собой среду для протекания биохимических процессов и доставки для них необходимых кофакторов. Молекулы воды, как и другие метаболиты, сами являются участниками биохимических реакций, например гидролиза или ряда реакций в цикле Кребса (Spedding, Wilson, 1968). Непосредственное участие молекул воды в биохимических реакциях происходит с самого начала контакта с водой, так как меченная по тритию вода уже через 3-5 мин обнаруживается в аминокислотах, а через 10-15 мин - в органических кислотах у семян (Collins, Wilson, 1972). Таким образом, набухание семян является первым этапом в процессе их прорастания.

Содержание воды в набухающем семени должно достигнуть определенного критического уровня. Критический уровень оводненности семян представляет собой содержание воды в семенах, при котором может начаться прорастание, и определяется как влажность наклюнувшихся семян (в процентах на сырое вещество). Эта величина варьирует в широких пределах в зависимости от типа семени. Прокофьевым A.A. с соавторами предложено оценивать критический уровень оводненности семян по влажности зародыша наклюнувшихся семян, выраженную в процентах на сырое обезжиренное вещество. Ими было показано, что для большинства семян оно составляет 60 -80%. По-видимому, именно такой критический уровень влажности зародыша необходим для вакуолизации клеток, и их растяжения, поскольку растяжение клеток является пусковым процессом роста при прорастании семян (Прокофьев и др., 1983).

Особенности водного режима семян определяет их водный потенциал, который складывается из суммы осмотического и матричного потенциалов. Осмотический потенциал, возникает как результат накопления осмотически активных веществ (ионов, Сахаров, и т.п.) в клетках семени и в ряде случаев, благодаря повышению проницаемости семенных покровов для воды. Матричный потенциал, формируется за счет конформационных перестроек, в том числе гидратации макромолекул, на основе структурно-метаболического взаимодействия воды с биополимерами семени (Полевой, 1989; Данович и др., 1982).

Набухание можно разделить на две стадии: физическую и биологическую (метаболическую, физиологическую). Поглощение воды при этом имеет трехфазный характер. Первая фаза, соответствующая физической стадии наб