Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Действие ударно-волновой обработки семян на морфофизиологические особенности и продуктивность растений

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Действие ударно-волновой обработки семян на морфофизиологические особенности и продуктивность растений"

г 5 ОД 4 МАР 18Я7

На правах рукописи

АТРОЩЕНКО Елена Эдуардовна

ДЕЙСТВИЕ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ

ОБРАБОТКИ СЕМЯН НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ

03.00.12 — Физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре ботаники Пензенского государственного педагогического университета.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор Хрянин В. Н.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Прусакова Л. Д.; кандидат биологических н>аук, доцент Тараканов И. Г.

Ведущее учреждение—Главный ботанический сад РАН.

Защита диссертации состоится -А^. . 1997 г.

в .^.^О-Р. часов на заседании диссертационного совета Д 120.35.07 в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, Тимирязевская ул., 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. С. Лосева

Актуальность теми. Важнейшей задачей физиологии растений является создание новых прогрессивных направлений биотехнологии и биоинженерии растений. Разработка интенсивных методов растениеводства, обеспечивающих высокую продуктивность и устойчивость растений, приобретает особую актуальность, так как в настоящее время увеличение производства зерна сопровождается ростом энергетических затрат и неблагоприятным влиянием на окружающую среду 1Мокроносов, 19881.

Исследование фотосинтетических процессов, закономерностей распределения ассимилятов, роста и развтития растений во взаимосвязи с условиями выращивания является основой для создания модели сорта и разработки методов регулирования физиологических процессов растений [Ничипорович,1955,1982; Мокроносов, Гавриленко,1992; Курсанов,1976; Шевелуха, 1992]. Ведется поиск и изучение механизма действия новых регуляторов роста химической и физической природы, способствующих более полной реализации потенциальной продуктивности растений.

Для управления ростом и развитием используются физические воздействия: различные виды излучений, электромагнитные поля, давление и др. Физические стимуляторы отличаются технологичностью,. эффективностью, производительностью. Недостатками указанных, методов являются трудность дозировки и наличие' мутагенного эффекта. Поэтому в программу настоящего исследования входил поиск физического фактора, преимущества которого заключались бы в экологической безвредности, эффективности, отличной воспроизводимости результатов, технологичности и экономической целесообразности; выяснение биологического ответа на клеточном и организменном уровнях при различных режимах обработки и выбор на этой основе оптимальных способов воздействия.

Цель и задачи. Целью работы является выявление закономерностей изменения биохимических, морфофизиологических, онтогенетических особенностей и продуктивности растений в зависимости от параметров ударно-волнового воздействия и внедрение в производство метода предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур для повышения их урожайности.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд задач: 1) проанализировать существующие способы физической стимуляции физиологических процессов растений; '¿) создать схему ударно-волнового нагружения семян и рнб;ать методы р.м.-^та его параметров; 3) изучить детально влияни» режимов обработки на биологический особенности растений различных видов, используя анатомические, фи-зиолого-Оиохимические и онтогенетические методы; -Г) установить за-

кономерности изменения физиологических особенностей растений в зависимости от интенсивности воздействия ударной волны; 5) определить оптимальные параметры воздействия импульсного давления на продуктивность растений и внедрить в промышленное производство способ предпосевной обработки семян.

Зааепцаемио положения.

1. Схема предпосевной обработки семян импульсным давлением, режимы воздействия и способ их расчета.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволившие выявить изменения морфофизиодогических особенностей растений в зависимости от параметров обработки.

3. Основные закономерности биологических изменений и возможности управления физиологическими процессами растений с помощью воздействия импульсного давления.

4. Способ предпосевной'обработки семян импульсным давлением для повышения продуктивности растений и результаты его внедрения в производство.

Научкал иокпзна. Впервые показана возможность применения ударной волны, вызванной детонацией взрывчатого вещества, для активизации 'роста растений, на основании чего предложен метод предпосевной обработки семян. Разработаны принципы управления параметрами воздействия .и' выбраны интервалы давлений, способствующих изменению морфофизиологнческих особенностей растений. Показано определяющее влияние давления в ударной волне на физиологические процессы и продуктивность растений.

Выявлено стимулирующее действие импульсного давления на активность ферментов, рост, развитие, интенсивность фотосинтеза растений гречихи, гшеници, томатов, огурца и др. Установлено, что зависимость изменения ряда физиологических показателей от величины давления имеет два максимума, положение которых является видоспецифич-ныа. Обнаружено существенное влияние параметров ударно-волнового погружения на гормональный баланс растений изучаемых видов в разные фазы онтогенеза и, как следствие, на их морфофизиологические особенности и продуктивность. Показаны возможности управления ростом и развитием райтений и прогнозирования увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.

Комплексными исследованиями установлено изменение широкого спектра физиологических процессов, в связи с чем перспективно применение ударно-волновой обработки в селекционно-генетической ■ рабо-

те, биотехнологии и т.д. На основании полученных результатов и литературных данных предложена гипотетическая модель механизма изменения физиологической активности и повышения продуктивности растений в результате обработки импульсным давлением.

Использование результатов исследования. На основе изучения изменения физиологических процессов растений, прошедших предпосевную удавно-волновую обработку, разработана специальная технология. В совхозе "Тепличный" г.Пензы проведены производственные опыты по исследованию морфофизиологических особенностей и урожайности томатов и огурца защищенного грунта после обработки семян импульсным давлением, по результатам которых оформлен Протокол. Использование метода в производстве позволило получить фактический годовой экономический эффект 364 млн. 440 тыс. руб. Составлены Акт о внедрении и Расчет экономической эффективности по .научно-исследовательской работе. Получено решение о выдаче патента на способ обработки семян.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на I и II межвузовских научных конференциях по действию физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных растений (Орехово-Зуево, 1993 г.,1996 г.); на межвузовской научной конференции "Биология и экология в системе современного педагогического образования" (Санкт-Петербург,1994); на III Международной конференции "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1995); на ежегодном Международном симпозиуме по физико-химическим основам физиологии растений (Пенза, 1996), на научных советах совхоза "Тепличный" и научных конференциях ПГПУ им.В.Г.Белинского (Пенза, 1992-1995).

Публкиацзот. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения; обзора литературы; экспериментальной части, включающей описание применявшихся методик, изложение и обсуждение результатов опытов; заключения; выводов; списка использоваЛгой литературы (172 наименования, из них 26 зарубежных авторов); приложения. Работа включает 163 страницы машинописного текста, 40 рисунков, 17 таблиц.

ЭКСПЕИаНГГАШШ! ЧАСТЬ 1. ОБЪЕКТЫ И 13ЕТ0ДЫ }£СЛЕД0ВА1ПЯ

Основные исследования проведены на растениях гречихи Fagopy-ГШ1 esculentum Moench. сорта Аромат, выращенных в условиях мелкоде-ляночного опыта на базе Пензенского ботанического сада имени И.И. Слрыгина. Также использовались растения овощных культур: томатов гибридов Fi Карлсон, Тортилла, Шаганэ и др. и огурца гибридов Fi

Маринда и НИИОХ 412, которые выращивались в совхозе "Тепличный" г. Пензы. Предварительные исследования осуществлены на растениях озимой пшеницу Мироновская 808. Эксперименты проводились в 1991-96 г.

Перед посевом семена обрабатывали импульсным давлением, создаваемым прохождением ударной волны в водной среде. Каждое семя испытывает объемное сжатие в течение 15-25 мксек. Способ обработки семян запатентован [Атрощенко и др.,1995]. Давление на фронте ударной волны рассчитывали по формуле [Пихтовников, Завьялова, 1964]: Р=5330(Ц1/3:Юг-13 , где

Р - давление, МПа

Q - масса заряда взрывчатого вещества, кг R - расстояние от центра взрыва до поверхности семян, м.

Для экспериментов использовали давления в диапазоне 5-40 МПа.

Всхожесть семян определяли по известным методикам. Исследовали жизнеспособность семян по' окрашиванию зародыша (метод Иванова) и влажность при высушивании через 2,24,48 часов после замачивания. Определяли вязкость цитоплазмы плазмолитическим методом в клетках семядолей зародыша гречихи через 48 часов после замачивания.

.Активность О-амилазы, кислых, нейтральных, щелочных протеиназ и липаз в эндосперме опредляли по общепринятым методикам.

Изучали митозы корневых меристем проростков в возрасте 48-58 час. и 8 суток. По общепринятому методу проводили фиксацию, приготовление давленых препаратов и подсчет митотических индексов.

Измерение высоты растений позволило построить график логистической функции по эмпирическим данным и рассчитать скорость и ускорение роста как первую и вторую производные функции роста.

Продуктивность фотосинтеза в полевых условиях, определяли методом половинок,. Содержание хлорофиллов определяли спектрофотометри-чески. Измеряли площадь листовой поверхности методом отпечатков.

Изучение физиологических особенностей корневых систем проводили по методике рН-теста [Воробьев,Егорова,1988]. Проростки помещали на 0.1 мМ водный CaS04 в фитотрон с освещенностью 23000 эрг/см2, продолжительностью светового дня 16 час..температурой 25°С, влажностью 80Z. Измеряли ацидофицирующую активность на 8, 10, 12 сутки в 0.1 id.1 CaS04 ^и 1 мМ КС1 (рН 5.75-5.78) в течение 5 часов. Оценивали объем корневой системы по методу Д.А.Сабинина и И.И.Колосова.

Для описания донорно-акцепторных связей исследовали содержание воды и сухого вещества и развитие проводящей системы: определяли количество и размеры проводящих элементов в анатомических срезах

стебля, черешков листьев и цветоносов в разные фазы онтогенеза.

Урожайность растений оценивали по специальным методикам. Кроме того, подсчитывали количество соцветий, невызревших и недоразвитых плодов и цветков. Для изучения наследования признаков исследовали продуктивность растений первого семенного поколения М^

Для определения содержания основных фитогормонов в растениях .писатья гречихи фиксировали жидким азотом в фазу недифференцированного конуса нарастания (8 суток), цветения (50 суток) и плодонопе-ния (80 суток), томатов - в фазу цветения. В состав образца входило 20-40 проб, проводилось 3 параллельных определения. Гормоны экстрагировали из гомогената 80Х-ным водным этанолом. Экстракт концентрировали до водной фазы и промораживали. Вытяжки для определения содержания ИУК, АБК, Аз, подкисляли до рН 2.5, а для зеатина подщелачивали до рН 8.0 и центрифугировали. .Препараты очинили при помочи кислотно-щелочной переэкстракции и ТСХ. Содержание фитогормонов определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

2. ВЛШШЕ УДАРНО - ЕОЛПОТОН ОБРАЕОТКН НА ПРОХОЗДЕНКЕ РАСТЕШЕМ РАИС« ЭТЛПОЗ ИГТОГПГЕЗА Важным показателем является всхожести семян, которая изменяется закономерно у растений гречихи, томатов, огурца (рис.1).

—°— гречиха —Л— томаты —»— огурец

Рис.1. Влияние ударна-волновой обработки иа всхахесть семян Торможение грорзстания и гибель семян вызывают тепловой сок ГЧумикина, Арабова,1993] и г-радиация [Березина,19693, приводящие к

трофическим нарушениям. Всхожесть семян гречихи снижалась до 75-39% (в контроле 82-90%) при действии давлений свыше 20 МПа, -томатов и огурца - свыше 5 МПа. Режимы, при которых всхожесть снижается не более чем на 10-15%, пригодны для практического использования.

Изучено действие ударных волн на водопоглощение семян гречихи.

Таблица 1.

Влажность семян гречихи при ударно-волновой обработке, % сыр.массы.

I--1-1-1-1-1-1

IКонтроль! И МПа I 23 МПа | 29 МПа | 35 МПа | 47 МПа

I-1-1---1-1-1-

| 2 часа

|41.7*2.3|53.2**±2.4148.0±1.7|43.2±1.1|52.2*±2.5|24.9***±1.5|

| 24 часа

158.712.6|62.6 i3.2|57.2±2.1|58.8±2.3|57.6 ±2.7125.4"*"±1.6|

I '48 часов

|59.8i2.8|65.0 ±3.1158.1±2.3|59.0±2.6|58.5 ±2.8|2б.0"*"±1.6|

I_I_I_и_I__I_I

В первые 2 часа замачивания водопоглощение ускорялось под действием давлений 11 и 35 МПа. Наличие двух максимумов на кривой указывало на существование двух механизмов воздействия ударных волн на водопоглощение семян. В первые часы замачивания преобладает "физическое" . поступление воды (Bewley,Black, 1978]. Увеличение водо-поглощения обусловлено развитием капиллярной структуры и конформа-ционными изменениями молекул под действием импульсных давлений. При «достижении влажности порядка 60% [Обручева, Антипова,19953 поступление воды в ткани связано с возрастанием осмотического потенциала за счет накопления гидролизатов запасных веществ. Водопоглощение семян гречихи не изменялось по сравнению с контролем после 24-48 часов ■ замачивания. Это могло быть обеспечено генетическим контролем. Влажность семян, обработанных давлением 47 МПа, не увеличивалась после 2 часов замачивания, что связано с гибелью зародышей.

Вязкость цитоплазмы служит критерием повреждения клетки, бремя наступления плазмолиза в клетках зародыша гречихи возрастало с увеличением нагрукения: давления 11-23 МПа способствовали повышению вязкости цитоплазмы на 20-32%, давления 26-35 МПа - на 39-59% по сравнению с контролем. Степень и необратимость конформационных изменений молекул возрастали с повышением давления. Потеря жизнеспособности семян связана с агрегацией функциональных альбуминов и нарушением физиологических процессов [Ангелова, Холодова, 19933.

Проведено исследование активности ферментов эндосперма семян.

Таблица 2.

Изменение активности гидролитических ферментов семян гречихи

| I I I-1-1-1

| Контроль | 11 МПа | 17 МПа | 23 Ша | 26 Ша | 29 МПа |

|-1-1-1-,-,-1

| « Активность 0-амилазы, иг глюкозы-г"1-ч"1 |

|0.77±0.03|1.21"¿0.06|1.60"10.07|2.23*±0.1112.07"±0.09|2.18"±0.10| | Активность кислой протеиназы, усл.ед. |

|3.3 ± 0.2|3.4 ± 0.2|3.3 ± 0.2|6.1* ± 0.3|8.5* ± 0.4)4.2" ± 0.3| | Активность нейтральной протеиназы, усд.ед. |

|2.5 ± 0.212.5 ± 0.Ц4.1* ± 0.2|3.9* ± 0.2|3.6 ± 0.Ц4.3* ± 0.2| | Активность щелочной протеиназы, усл.ед. I

|1.3 ± 0.1Ц.4 ± 0.1|3.2* ± 0.213.4* ,± 0.2|3.1* ± 0.2|2.6* ± 0.1| | Активность кислой липазы, мМ-г"1^"1 I

|55.5±2.1 |120.5*±5.8|84.0*± 4.1|26.3*± 2.0|42.8 ± 2.1|29.б*± 1.7| | Активность нейтральной липазы, мМ-г^-ч"1 I

|98.6±4.5 Ц04.5+5.1 |124,0*±5.9|159.7^7.7|111.3*±5.4|90.1 ± 4.5| | Активность щелочной липазы, м?Л-г-1 -ч"1 I

|76.4±3.6 |84.5 ± 4.1|102.8*±5.0|221.9*49.9|73.4 ± 3.5|55.6*± 2.6|

I_|_I_1_I_I-1

Давления 11-23 МПа способствовали линейному возрастанию активности в-амилазы на 23-1901 по сравнению с контролем, а давления 26-35 МПа - на 169-134%. Импульсное давление 23 МПа является точкой приближения к асимптоте на кривой зависимости.

Активность кислой протеиназы не изменялась по сравнению с контролем при воздействии ударных волн с давлениями 11-17 МПа. Давления 23-26 Ша способствовали возрастанию активности фермента на 85-1567.. 29-35 МПа - на 27-457. . по сравнению с контролем. Воздействие давления 11 МПа не влияло на активность нейтральной и щелочной протеиназ. При обработке давлениями 17-35 МПа активность нейтральной протеиназы увеличилась относительно контроля на 44-721. Активность щелочной протеиназы возросла при воздействии давлений 17-26 МПа на 138-161% по сравнению с контролем. При воздействии давления 29 МПа активность фермента превышала контроль на 100%.

Активность кислой липазы возросла на 1141 при воздействии давления 11 МПа, а под действием давлений свше 23 МПа снизилась на 58-23% по сравнению с контролем. Выявлено увеличение активности нейтральной липазы на 6-257. относительно контроля при обработке

давлениями 11-17 МПа. Фермент проявил наибольшую активность под действием давления 23 МПа (160 мМ/г-ч, в контроле - 99 мМ/Г'Ч), которая при повышении давления до 26-35 MI 1а составляла 111-90 мМ/г-ч. Активность щелочной липазы увеличилась при обработке давлениями 17 МПа на 35%, 20-23 МПа - на 192%. Под действием давлений 26-29 МПа был отмечен спад активности на 3-27% относительно контроля.

Обнаружена общебиологическая закономерность влияния импульсного давления на работу ферментов зерновок гречихи и озимой пшеницы.

Были определены митотические и фазовые индексы (.МИ и '1-И) корневых меристем в динамике при обработке давлениями 11.S3,29 МПа. В контроле максимальное значение № составляло 9.6%. среднее - 8,1%. При воздействии давления И МПа интенсивность делений увеличилась в 2,6 раза, синхронность - на 50%. Даглени? КЗ МПа не привело к вменению среднего МИ относительно контроля, синхронность делений увеличилась в 3.3 раза. После обработки давлением 29 МПа интенсивность митозов уменьшилась на 31%. а синхронность возросла на 33% rio сравнению с контролем. Нами не обнаружено аберраций хромосом. Через 8 суток МИ в опытах превышал контроль на 21: 156; 20"'. соответственно.

.Стрессовая реакция включает 3 стадии: тревоги, адаптации, истощения [Тарчевский,1996]. Обработка семян гречихи давлениями 8-17 МПа способствовала быстрому переходу ко второй стадии. Адаптация заключалась'в стимуляции физиологических процессов. Действие давлений 20-35 МПа привело к активации гидролаз и задержке роста.' что могло быть связано с ингибированием синтеза белка абсцпзовой кислотой в условиях стресса. Преимущественно образуются юоко;.ьк- белки, а не структурно-функциональные 1Ангелова и др.. 19931'. Адаптация сгд-зана с накоплением цитокининов и запуском синтетических процессов.

3. ЗАВИСИМОСТЬ А11АТОМО-МО!ВДЛОП(ЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ ОТ ВЕЛИЧИНЫ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУШ1ИЯ Реализация фотосинтеза в растении определяется интеграцией физиологических процессов и играет ведущую роль в продукционном процессе [Мокроносов, Гавриленко, 1992]. Ударно-волновая обработка позволяет управлять фотоассимиляцией растений. Как видно из рис.2, в фазу бутонизации давления 11-17 МПа и 29-35 МПа способстволи значительному увеличению интенсивности фотосинтеза. Возросло соотношение хлорофиллов а и Ь. Обнаружено закономерное изменение ассимилируитй I поверхности и урожайности растений. Более продуктивным является ' растение, использующее большее количество ассимидятов на образование фотосинтезирух.щих органов [МокроносовЛШ!.

контроль

возраст растений, сут.

Рис.2. Интенсивность фотосинтеза растений гречихи после

ударно - волновой обработки. В Фазу начала формирования плодов интенсивность фотосинтеза не изменялась. но увеличилась площадь листьев, а в фазу созревания эти показатели уменьшились в диапазоне 11-23 МПа, что связано с завершением вегетации и разрушением хлорофиллов. Биомасса растений, обработанных импульсным давлением, увеличилась в фазу плодоношения. Обнаружены физиологические изменения корневых систем растений.

Таблица 3.

Изменение ацидофицирующей активности корней проростков, мкМ/г-5ч

I-1-1-1-1-1-1

|Возраст |Контроль | 11 МПа | 17 МПа | 23 МПа | 29 МПа |

|-1-1-1-1-1-1

| 8 суток|2.95±0.10|6.42"±0.14|3.65*±0.11|3.75"±0.01|0.90"±0.04| 110 суток 11. 25+0.05| 3.88"±0.12 Ц.28 ±0.0411.57*±0.0510.35"±0.011 |12 суток|0.76±0.01|3.20*±0.11I1.15*±0.06|0.97"±0.05|0.1б"±0.02|

Давление И МПа активировало ацидофицируют/ю активность корней на 120-320%, давление 17-23 МПа - на 2.4-27% по сравнению с контролем. Действие давлений 29-35 МПа ингибировало Н+-помпу в 3-3,5 раза.

Наблюдали увеличение объема корневой системы опытных растений под действием импульсного давления в фазы бутонизации, цветения и созревания плодов. Корневая система обеспечивает поглощение воды, минеральных вешеств и синтез физиологически активных соединений,

что создает условия для опережающего роста и развития растений. Транспорт веществ связан с деятельностью проводящей системы.

Таблица 4.

Поперечное сечение проводящих тканей пучка гречихи, мкм2

1 1 |Возраст | Контроль 1 11 МПа 1 23 МПа i 29 МПа |

1 1 КСИЛЕМА

|15 сут. 1

| стебель 4657 + 226 | 7282 + 348 7274 + 351 6722 + 335 |

|40 сут. 1

|стебель 38375 + 1784156871 + 2361 58383 + 2405 73870 + 3552|

|черешок 4654 + 205 112095 + 561 6035 + 29 10863 + 911

|55 сут. 1

|стебель 91404 + 4384179940 + 3862 142258 + 6160 177042 + 7217|

|черешок 8587 + 428 |10067 + 500 14778 + 685 15127+ 729 |

|цветонос 1507 + 74 | 1742 + 82 2268 + 103 2289 + 112 |

|90 сут. 1

|стебель 111092+ 5168|84294 + 4125 137328 + 6207 147855 + 6736|

|черешок 3246+ 143 | 3947 + 152 5031 + 236 6092 + 278 |

|цветонос 2812 + 137 | 2797 + 120 2635 + 131 3621 + 179 |

1 ФЛОЭАА

|40 сут. 1

|стебель 2977 + 81 | 1905 + 92 1756 + 79 1863 + 83 |

I черешок 20958 + 857 125621 + 963 26148 + 982 26461 + 994 |

|55 сут. 1

I стебель 6175 + 316 | 5426 + 294 3582 + 174 6953 + 312 |

|черепок 21410 + 892 127588 + 991 19549 + 846 23678 + 934 1

|цветонос 4796 + 233 | 7602 + 368 10417 + 480 16113 + 628 |

ISO сут. 1

|стебель 6Э02 + 359 | 9413 + 322 8735 + 351 6159 + 349 |

|черешок .10291 + 481 113082 + 579 17489 + 702 12583 + 611 |

|цветонос I 7345 + 352 |10082 + 481 12368 + 599 19368 + 638 |

> | 1 ■

Обнаружено опережающее развитие ксилемы в стеблях опытных проростков гречихи. В начале цветения увеличилась площадь ксилемных элементов стебля и черешка листа опытных растений. Это обеспечило высокую оводненность листа, способствующую гидроактивным движениям

устьиц. Выявлено увеличение размеров флоэмы черешка листа и цветоноса, указывающее на отток ассимилятов из листа в аттрагирующие органы - цветки. В фазу формирования плода площадь сосудов стебля возросла под действием давлений свыше 17 МПа. Мощность ксилемы цветоноса опытных растений соответствовала контролю. Развитие флоэмы растений при ударно-волновой обработке обеспечивало более активный по сравнению с контролем отток веществ к генеративным органам.

Изменение процессов накопления и депонирования веществ после ударно-волновой обработки повлияло на процессы роста растений.

1000 900 800 700 600 500 100 300 200 100 О

) \

15 20 25 30 35 10 15 50 55 60 65 70 80 90 дни вегеташш

—контроль -в— II МПа -в- 23 МПа -А- 29 И Па'

Рис.3. Рост растений гречихи после ударно-волновой обработки

При анализе роста с помощью математических методов было обнаружено, что давление 8 МПа не привело к изменению роста по сравнению с контролем, воздействие давлений 11-17 МПа способствовали увеличению высоты растений за счет существенного возрастания скорости и ускорения' роста и сокращению продолжительности активного роста. Указанные процессы усилились у растений, обработанных давлениями 20-23 МПа; сокращение периода активного роста в 3 раза привело к тому, что высота опытных и контрольных растений не раапичалась. Давления 26-35 МПа способствовали относительному снижению скорости и ускорения роста и растяжению период; активного роста. При этом высота растений значительно превысила контроль.

Выявлено, что продуктивность растений разных видов изменяется нелинейно в зависимости от параметров воздействия. Как видно из рис.4, у гречихи первый максимум соответствовал давлениям 11-20

I

МПа, продуктивность превышала контроль на 14-27%. Второй максимум отмечен при воздействии давлений 26-35 МПа, продуктивность растений увеличилась на 57-303%. В области минимума (давление 23 МПа) продуктивность растений уменьшалась на 9-11% относительно контроля.

н

о «

(С

К

о Й

/

/

450- / / /

400- / / /

350- / / /

300- / /

250- / / /

200- / / /

150- / / \

100 1 г1 1

50- л

гречиха

б 8 11 17 23 29 35 давление, МПа

Рис.4. Продуктивность растений после ударно-волнового воздействия Аналогично урожайность растений томатов, обработанных давлениями 5-8 и 23 МПа, превысила контроль соответственно на 20-31% и 102%. Урожайность растений огурца под действием давления 4 МПа возросла на .19%, 8-11 МПа - на 14-46%. Продуктивность растений повышалась главным образом за счет увеличения количества плодов.

4. РЕГУЛЯТОР! 1АЯ РОЛЬ ЭНДОГЕННЫХ ФИТ0Г0РМ0Н0В В ИЗЬЕНЕНИИ К0Р4ОФИЗИ0Л0ГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСТЕНИЙ, ПОСЛЕ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ Морфофизиологические изменения обусловлены концентрацией фито-гормонов в тканях. Исследование совместного действия экзогенных фи-тогормонов и импульсного давления на проростки озимой пшеницы предположительно показало изменение гормонального баланса опытных растений. Проведен анализ эндогенных фитогормонов в листовых пластинках растений гречихи и томатов, обработанных импульсным давлением. В результате исследований обнаружена обще'биологическая закономерность изменения гормонального баланса гречихи и томатов под действием физического фактора. У проростков гречихи после обработки давлениями 11 и 29 МПа содержание ИУК не изменилось, а концентрации Аз уменьшились по сравнению с контролем. Воздействие давления 23

МПа способствовало снижению уровня ИУК и увеличению концентрации гиббереллина. Во всех вариантах опыта возросли концентрации зеатина и особенно АБК (на 250-280% по сравнению с контролем).

Таблица 5.

Содержание свободных фитогормонов в листьях среднего яруса

-1

растении гречихи, нг-г 1 сырого веса

1 | Вариант 1 ИУК Аз Зеатин 1 1 I АБК |

г | 8 суток

¡контроль 75,7 + 7,5 211,5 + 19.6 205,1+19,2 1 40.8 + 3,9 |

111 МПа 71,4 + 6,9 134,6" + 12.5 274,8+25 4 ¡142,6" "+12,7 |

123 МПа 53,6 + 5,2 298.4 +24,7 236,7+23 1 |155.7""+14.9 |

|29 МПа 72.5 + 6.9 160,6 +16,2 226,2+20 9 |142,8""+12,5 |

|35 суток

¡контроль 48.3 + 4.2 160,3 + 14,1 302,6+29,7 I 66,3 + 5,9 |

|11 МПа 64,9 + 6.5 120,2 + 11.7 235,9+22 6 1 15,3" "+ 2,0 |

|23 МПа 73.8' + 6.9 64,1" " + 6,8 300,003 4 I Зв,2" + 3,6 |

|29 МПа 79,3' + 7.5 184,3" "+17,5 297,4+27. 3 I 30,6" + 2,9 |

|55 суток

¡контроль 151.4 + 13.2 134,6 +13.2 151,7+13 7 I 23,6 + 2.0 |

¡11 МПа 151,5 + 13.4 48,0""+ 5,0 168,1+16 5 1 30,7 + 2.7 |

|23 МПа 193,0 + 18.1 64.1" + 6,1 205,1+20 1 | 23,6 + 2,1 |

129 МПа 1 210,7 + 19,6 83.3" + 7,9 196,9+18 3 1 33,4 | + 3.2 | j

В фазу цветения содержание ИУК увеличивалось линейно во всех вариантах опыта, а количество Аз снизилось только после обработки давлением 23 МПа. Содержание зеатина не изменилось, а концентрация АБК снизилась на 42-77% по сравнению с контролем. Морфофизиологи-ческие показатели опытных растений соответствовали изменению гормонального баланса. При созревании плодов содержание ИУК увеличилось у растений, обработанных давлениями 23-29 МПа. Количество гиббереллина понизилось на 38-64%. Ударно-волновое нагружение способствовало повышен™ содержания зеатина на 11-35%. Концентрация АБК возросла у растений, обработанных давлениями 11 и 29 МПа на 30-40%, и не изменилась но сравнению с контролем при воздействии давления 23 МПа. чем, вероятно, обусловлено изменение продуктивности растений.

_ Установлена зависимость содержания основных свободных фитогормонов и морфофизиологических показателей растений от величины удар-

- но-волнового воздействия. При прохождении растениями изученных нами фаз онтогенеза наблюдались изменения содержания всех фитогормонов, а наиболее значительные - абсцнзовой кислоты. Вероятно, АБК выполняет особые функции в формировании реакции растений на физическое воздействие. Кроме того, содержание АКК в растениях при различных параметрах нагружения согласуется с наличием двух максимумов в повышении урожайности. Данная зависимость обусловлена тем, что АБК активизирует процесс плодообразования и ускоряет завершение вегетации [Дерфлинг,19вЬ; Кефели и др..1939]. Поитому ведущая роль в формировании нелинейной зависимости продуктивности растений от величины воздействия может принадлежать абсцизовой кислоте.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУИЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР Для установления возможностей практического использования метода ударно-волновой обработки были проведены опыты с растениями защищенного грунта. При подборе опти.мячьиых режимов обработки применяли давления 3-23 МПз. Признали наиболее эффективными давления 5-8 и 29 МПа для растений томатов и 4-i> МПа для растений огурца.

В зимне-весеннем обороте 1995 года использовали растения томатов гибрида Fj Карлсон и огурца гибрида Fj Маринда (учетная площадь по 460 м2). После обработки на ранних этапах онтогенеза наблюдалось развитие стадии тревоги, выражавшееся в некотором уменьшении всхожести семян (давление 5 МПа привело к уменьшению всхожести семян на 5-10%, а давление 29 МПа - на 40-452 от контроля).. При переходе к стадии адаптации выявлена активизация Физиологических процессов растений. Увеличилось количества соцветий на растениях томатов и пестичных цветков на растениях огурца до 12%. Прибавка урожая огурца составила 14-16%. При обработке давлением 5 МПа урожайность томате^ увеличилась на 20%, давлением 29 МПа - на 31%. Составлен Протокол исследования морфофизиологичеекпх особенностей и урожайности томатов и огурцов после обработки семян импульсным давлением.

В осеннем обороте 1995 года выращивали опытно-промышленные партии растений огурца гибрида F\ Маринда_и томатов гибрида Fj Тор-тилла, обработанных давлением 5 МПа. Урожайность томатов повысилась на 18%, огурцов - на 127. по сравнению с контролем, всхожесть понизилась на 10-15%. Признана эффективность метода ударно-волновой обработки семян для повышения урожайности растений.

В продленном обороте 1996 года были высажены партии огурцов

гибрида Р1 НИИОХ 416 и томатов гибрида Г1 Шаганэ на общей площади 2 га. Урожайность растений томатов возросла на 17X, огурцов - на 14X. Норма высева семян была увеличена. Расчет экономической эффектив-' ности с учетом затрат на изготовление оснастки, потери семян и стоимости обработки показал, что фактический годовой экономический эффект составил ~364 млн. 440 тыс. руб. при выращивании 1 га1 растений томатов и 1 га растений огурцов в условиях тепличного хозяйства.

Опыты продолжали в осеннем обороте 1996 г. Урожайность томатов и огурца повысилась соответствено на 12% и 16£. Для зимне-весеннего оборота 1997 г. обработаны семена для засева 9 га. Планируется полное внедрение способа в производство. Предполагаемый экономический эффект мероприятия на всей площади тепличного комбината (18 га) составит 2,9-3,2 млрд. руб. в год по ценам 1996 г.

Поскольку ударно-волновое нагружение семян оказывает влияние на ряд цитогенетических и морфофизиологических показателей растений,' его можно использовать в различных технологических процессах.

Импульсное давление способствует увеличению водопоглощения семян и активности гидролитических ферментов до :92%. При подборе оптимальных режимов воздействия возможно эффективное использование данногб методу в, солодоращении и в других отраслях биотехнологии.

При воздействии импульсного давления на семена изменяется интенсивность и синхронность клеточных делений зародыша. Преимущества данного метода перед известными [Шестопалова и др.,1992] заключаются в большей эффективности и продолжительности последействия, которое сохраняется до 30 дней. Способ ударно-волнового воздействия может быть использован для предобработки при получении мутаций.

Для уничтожения амбарных вредителей используют взрыв смеси водорода и кислорода, создающий ударную волну. При хранении семян, обработанных импульсным давлением, в отличие от контрольных отмечалось отсутствие долгоносика. Ударно-волновая обработка может использоваться для борьбы с вредителями, что более технологично.

Помимо изменения урожайности наблюдалось возрастание количества листьев и биомассы надземной и подземной частей растений. Поэтому при оптимальном воздействии можно получать повышенные урожаи плодов, корнеплодов, клубней, увеличивать укос трав и т.д.

Важно отметить низкую себестоимость метода ударно-волнового нагружения семян. При подсчете фактического годового экономического ' эффекта ударчо-волновой обработки семян томатов и огурца установили, что затраты на осуществление мероприятий составили 5160

тыс.руб., а стоимостная оценка результатов 369500 тыс.руб., т.е.

затраты составляли до 1,5% от получаемого экономического эффекта.

***

Разработан метод физического воздействия, отличающийся экологической безвредностью, эффективностью, широким спектром физиологического действия и экономической целесообразностью, а также высокой степенью воспроизводимости технологических параметров (амплитуды и скорости прохождения ударной волны), которые легко и точно регулируются массой заряда и расстоянием между его центром и поверхностью материала. Физиологические изменения рассмотрены на растениях разных видов в широком диапазоне импульсных давлений.

Обнаружено влияние ударно-волновой обработки на протекание ранних этапов онтогенеза. Изменение структуры биополимеров, возникающее при прохождении ударной волны, а также появление микротрещин * способствовали увеличению водопоглощения семян. Повышение активности гидролитических ферментов семян возможно связано с уровнем овод-ненности семян [Обручева и др.,1988]. Изменение "запроса" аттраги-рующего центра также влияет на активность ферментов, т.к. в процессе роста возникает потребность клеток в белке, образующемся из продуктов гидролиза и окисления запасных питательных веществ. При воздействии импульсного давления в проростках было обнаружено высокое содержание АБК, типичное для стрессовой реакции [Hong et al.,1991; Neumann et al.,1989]. Гормон стимулирует синтез РНКазы или подавляет активноеть РНК-полимеразы; результатом является замедление синтеза белка [Дерфлинг,1985]. Это способствует усилению запроса атт-рагирующего центра, который стимулирует начальное звено процесса -гидролиз запасных питательных веществ, что было обнаружено в опытах. Нарушение синтеза белка, видимо, способствовало снижению всхожести семян гречихи при воздействии давлений свыше 17 МПа. Давления ниже 17 МПа не оказывали ингибирующего действия. Давления 41-47 МПа приводили к полной гибели семян. Аналогичные результаты получены на растениях томатов, огурца и пшеницы. Переход к адаптации связан с тем, что при нарушении синтеза РНК происходит накопление предшественника нуклеотидов аденина, из которого могут образовываться цитокинины [Дерфлинг, 1995). Обнаружено увеличение содержания зеа-тина у проростков после обработки импульсным давлением. Цитокинины активируют протеинкиназу, связанную с РНК-полимеразой 1 [Селиванки-на и др.,1988] и способствуют восстановлению синтеза белка. Выживание проростков зависит от продолжительности прерывания трансляции.

Изменение активности меристем подтвердило изложенный механизм стрессовой реакции растений. Давление 11 МПа стимулировало деления через 2 суток, 23 МПа - через 8 суток, а давление 29 МПа способствовало временному "ростовому покою" и последующему восстановлению и стимулированию делений. Указанный эффект характерен для стрессовой реакции растений [Веселовский и др.,19931. ,

Дальнейшее необратимое развитие стрессовой реакции связано с изменением регуляторных систем растений, в частности, концентрации фитогормонов в клетках [Ковалев,1995). После воздействия стрессора растения были помещены в оптимальные условия. Поэтому развитие стадии адаптации заключалось в активизации физиологических процессов.

Фотосинтетическая Функция представляет основу энергетического и пластического обмена. Мошной системой регуляции физиологических процессов является донорно-акцелторная система [Мокроносов, Гаври-ленко,1992]. Повышение интенсивности фотосинтеза и увеличение ассимилирующей поверхности является следствием активации акцепторных зон под действием импульсного давления и создает предпосылки для увеличения продуктивности растений. Активиэг.дая фотоассимиляции способствует адаптации растений [Третьяков и др.,19941. В меристемах питательные вещества потребляются на рост и дыхание, в запасающих органах - на рост и отложение в запас. Эти процессы являются сопряженными и приводят к накоплению биомассы [Курсанов,197б).

Рост и продуктивность растений являются интегральными показателями физиологических процессов и зависят-от многих энДо- и экзогенных факторов. Изменение продуктивности растений, обработанных ударными волнами, соответствует ростовым процессам, что дает возможность прогнозирования урожайности растений Шевелуха, 1992].

Гипотетическая модель реакции растений на физическое воздействие представлена на рис.5. Прохождение ударной волны создает объемное сжатие в течение 15-25 мксек, воздействующее на мембраны и макромолекулы клеток зародышей. Такое физическое возмущение не встречается в природе, поэтому реакция растений является неспецифической. Ватаым механизмом адаптации растений является изменение метаболизма липидов и увеличение текучести мембран [Тарчевский,1996]. Мембранная регуляция включает транспорт предшественников нуклеиновых кислот и белков, освобождение регуляторных белков, осуществление ионных и кислотно-щелочных сдвигов [Полевой, 1991). Изменение • процессов де"ения зависит от состояния цитоплазмы. Ядерно-цитоплаз-матические отношения регулируют развитие на протяжении онтогенеза.

Рис.б. Гипотетическая модель физиологических изменений растений после обработки импульсным давлением.

Включение мембранной и генетической регуляции способствует изменению синтеза фитогормонов, влияющих в свою очередь на функцшни- . рование ядерного аппарата и способствующих активизации физиологических процессов. Это приводит к более эффективному перераспределению веществ в растениях и повышен™ их продуктивности.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод предпосевной обработки семян импульсным давлением, способствующий активизации ряда физиологических процессов. Предложена технология, позволяющая дозировать параметры воздействия с высокой точностью. Установлено преимущественное влияние амплитуды ударной волны в интервале давлений 3-35 МПа на физиологические процессы растений.

2. Выявлены зависимости увеличения скорости поглощения воды при воздействии давлений 11-20 и 31-35 МПа и повышения вязкости цитоплазмы в интервале давлений 11-35 МПа. Воздействие импульсного давления привело к возрастанию активности гидролаз на £¡3 - 192%. Ингибирование процессов биосинтеза под влиянием высокого содержания АБК способствовало понижению всхожести семян до 25-75% от контроля при обработке давлениями свыше 23 МПа.

3. Обнаружено, что физическое воздействие приводит к синхронизации клеточных делений корневых меристем проростков гречихи на 33-230% и повышению их интенсивности причем давление 11 МПа способствует увеличению митотических индексов на 160% через двое суток, а давления 23 и 29 МПа - на 156?, и 21% через 8 суток, следствием чего явилось увеличение биомассы корня на 39-79%. Ацидофици-рующая активность корней проростков гречихи увеличивалась при воздействии давления 11 МПа в 2,2-4,2 раза, 17-23 МПа - на 24-27%, а

давления 29-35 МПа снижали поглотительную активность корней проростков в 3-3,5 раза.

4. Комплексными исследованиями установлены зависимости процессов фотосинтеза, транспорта, накопления ассимилятов и роста растений гречихи от амплитуды ударной волны. Обнаружено, что при возрастании давления усиливается приток воды в листья, продуктивность фотосинтеза в фазу бутонизации увеличивается на 60-143%, активизируется транспорт веществ из листьев в цветки, плоды, а также в корни.

5. Установлено, что зависимость продуктивности растений от величины физического воздействия, имеет два максимума, соответствующих давлениям 11-20 и 29-35 МПа для растений гречихи, 5-8 и 23 МПа для томатов, 4-5 и 23 МПа для огурца. Продуктивность растений в области первого максимума возрастает на 14-31%, второго максимума - на 19-303%. Показано преимущественное значение увеличения количества плодоз в повышении продуктивности растений.

6. При изучении изменения гормонального баланса растений гречихи и томатов в зависимости от величины давления обнаружено значительное повышение уровня АБК в фазы прорастали., и созревания плодоз. В первом случае влияние АБК на рост растений зависело от содержания других гормонов, в частности, зеатпна. Во втором случае повышение уровня абсцизовой кислоты активизировало процесс созревания плодов и ускоряло завершение вегетации.

7. На основе выявленной взаимосвязи предложена гипотетэтеская модель механизма ответной реакции растений на физическое возмущение. Кратковременное объемное сжатие в ударной волне воздействует на мембраны и макромолекулы, что способствует последовательному вшточетт механизмов мембранной, генетической, гормональной, трофической регуляции, приводящему к морфофнзиолопгческим изменениям и увеличению продуктивности растений.

8. Метод ударно-волновой обработки семян внедрен в производство овощей защищенного грунта, что позволяет увеличить продуктивность томатов и огурцов на 14-20%. Получено решение о выдаче патента на способ предпосевной обработки семян [Атрощенко и др., 1995]. При выращивании растений из семян, прошедших обработку, на площади 2 га получен Фактический годовой эконоыический эффект 364 млн.440 тыс.руй.(1996 год).

По томе л'ссертолгп» спублзюзлн:) сгодуг^гэ рг.боти: 1. Атрощенкг Е.Э., Хрянин В.Н., Атрощенко З.С. Влияние импульсного давления на рост и развитие некоторых видов растений // Влиякпз

физич.и хим.факторов на рост и развитие с.-х.растений: Тез.докл. межвуз. науч. конф. (Орехово-Зуево, апрель 1993). -ОЗИМ. -Орехово-Зуево, 1993,- С.16.

2. Хрянин В.Н. .Атрощенко Е.Э. Влияние импульсного давления на водо-поглощение и активность ß-амилазы зерновок озимой пшеницы //Биология и экология в системе соврем.пед.образовния:Тез.докл.межвуз. науч.-практ.конф.(С.-П.,дек.1994).-С.-П.-Ставрополь, 1994.-С.25.

3. Атрощенко Е.Э., Хрянин В.Н. Совместное действие фитогормонов и импульсного давления на морфологические особенности озимой пше-ницы//Регуляторы роста и развития растений:Тез.докл.III междунар. конф.(Москва, 27-29 июня 1995 г.).- М.,1995.- С.46.

4. Атрощенко Э.С..Хрянин В.Н..Атрощенко Е.Э.и др. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №95111836/13(020614). Приоритет от 11.07.95.

Б. Atroshchenko Е.Е., Khryanin V.N. The Influence of Impulse Pressure to the Activity of H+-pumps and Yield of Buckwheat //Physi-cal-Chem. Basis of Plant Physiol.: Abstracts of Ann.symp. (Penza, Feb.5-9, 1996).- Pushchino. 1996,- P.62.

6. Атрощенко Е.Э., Хрянин В.Н. Влияние импульсного давления на митозы в корневых меристемах проростков гречихи // Влияние физич.и хим.факторов на рост и развитие с.-х.культур: Тез.докл.межвуз. науч.конф.(Орехово-Зуево,апр.1996 г).-Орехово-Зуево,1996.-С.30.

7. Атрощенко Е.Э., Хрянин В.Н., Барсукова В.Г. Действие импульсного давления на биологические особенности томатов и огурцов защищенного грунта // там же.- С.31.

8. Хрянин В.Н., Атрощенко Е.Э. Действие ударно-волнового нагружения на рост и продуктивность растений гречихи//Краеведч. исследования и проблема биол. образования: Тез.докл.юбилейного сб. (Пенза, май 1996 Г).- Пенза,1996,- С.76.

9. Хрянин В.Н.,Крюков A.M..Атрощенко Е.Э. Влияние импульсного давления на активность ферментов и ростовые процессы проростков озимой пшеницы // там же.- С.77.

10.Атрощенко Е.Э..Хрянин В.Н. Изменение фотосинтетической активности растений гречихи после обработки импульсным давлением // Тез. докл.I Всеросс.конф.фотобиологов. - Пущино, 1996.

11.Khryanin V.N., Atroshchenko Ye.Е. Impulse Pressure As a Factor of Change of Productivity and Take Up Activity of Roots of Buckwheat// Internat. Symp. on Stress and Inorganic Nitrogen Assimilation & 2nd Fohs Biostress Symp. .-Abstracts (Sept.1996).- M.,1996.