Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Донорно-акцепторные отношения и их регуляция у Oryza sativa L. в репродуктивный период развития

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Донорно-акцепторные отношения и их регуляция у Oryza sativa L. в репродуктивный период развития"

Р Г Б ОД

- | < РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ БИОЛОГО-ПОЧБЕНпЫИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ГЛАДУН ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК Ьс'а . 1 о-г. (. ± л

ДОНОРНО-АКЦЕПТОРКаЕ ОТНОШЕНИЯ И ИХ РЕГУЛЯЦИЯ У Сгуза ва'Лчй Ь. Б РЕ,:1?ОДУКТИБ1й.Л ПЕРИОД РАЗБИТИЯ

03.СО. 12 - флзко^ог::я растек>г»':

А в тор б ф а р а т л!ссертэ;";;:л на сслс.-.ПпЖ- учено;": стгпечк'

КЗ-ЧД/ЦТс;??} бИСЛОГИмЗСКИХ мйУК

БлеДТ'ВССТОК ;3г)4

Работа выполнена в лаборатории физиологии растений Вкшхго-почвеняого института Дальневосточного отделе: Р/.К

Научный руководитель: каддддат биологических ваук,

стадаий научный сотрудник Е.-Д.Карпов

Официальные ошюкзнтк: доктор биологических наук

Бадзярв учреждение: Ботазичегаагй Сад СО РАН {г. ЕЬвосш&рсз

К KS.97.01. но физиологии раетенгй в Бколого-почьскасм институте дао по адресу: 690322, г. Ваасяюсто:., ярлдаг«-.-1С0-лвткя Ваадитстоку, д. Х5Э.

С ¿зшоертнцией кавна ознажасп-ьея в Шнтргпькой ЛВО ЕШ (г. Владивосток)

¿вторг^ерау разослан " .^¿У

Жчешй секретарь сг-бг^г^-с^р^^аза-аго са&ига,

В.Й.Чаков (г. Казань); каддддат биологических наук ' Р.Д.Зурдбза (г. Нлддааоетс.х>

[? Я.И.Сибир«.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время. теорий фотосжртетической продуктивности растений должна быть долол;е;г> знанием закономерностей транспорта и распределения фотоассимилятов, формирования запасных отложений, а так;.-механизмов регуляции этих процессов. Это позволит, с одной стороны, выявить и детализировать принципы функционирования донорно-акцепторных систем растений, с другой - регулировать продукционный процесс в сторону увеличения хозяйственно цениой части урожая.

Несмотря на значительное количество сведений о транспорте ассимилятов, в том числе и у злаков (Wardlaw, 1968; Куроаноь, 1976; Шевелуха, 1992), как одной из функций доаорно-ею^я'-'орпок системы, их -явно недостаточно. Не ясно, какими д<шзш быть соотношения между параметрами отдельных элементов донорно-акцепторной системы, обеспечивающие оптимальное ее функционирование, и какова природа аттрагирующего фактора, определяющего запрос и направление транспорта ассимилятов к акцептору. Представления о регуляции транспорта частично опираются на гормональную концепцию (Курсанов, 1986; Brenner, 1987). отмечается важность фитогормонов в создании свойств акцептора (Michael, 1984; Мокроносов, Холодова, 1990), однако, наблюдаемые эффекты гормонального воздействия рассматриваются ча^е всего ь феноменологическом аспекте. Синтетические регуляторы роста как аналоги природных фитогормонов позволяют оцепить механизм действ:'я эндогенных гормонов в регуляции транспорта и запасания ассимилятов-(Davles, 1987).

Особенности распределения ассимилятов у рпоа ранее обсуждались в ряде работ (Murayama et al., 1955; Лц»а«др, Бровцына, 1964; Kunio et al., 1983), но исследование ид имело фрагментарный характер. Мало внимания уделялось изучению взаимоотношений между доноршии и акцепторными органам: на протяжении всего репродуктивного периода развития растений, в тох числе и у сортов дальневосточной эколого-географической группы, характеризующейся длительным сохранением зеленой окраски стеоля при созревании (Соколова, 1975) и повышенной способность!: к постгенеративному кущению (Криволапов, 1971). Слаоо :;зучетгс:

особенности транспорта фитогормоков по растению риса з связи о регуляцией распределения ассимилятоз. Кроме того, бовлачетю s практику рисоводства новых высокоэффективных регуляторов роста требует их всесторонней оценки и изучения механизма действия на продукционный процесс с учетом морфо-физиологических особенностей отдельных морфотипов.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в исследовании особенностей доноряо-акцелторяых отношений у риса (Oryza sativa L. sube, japónica) в репродуктивный период развития в связи с эндогенной и экзогенной регуляцией образования, распределения и за::-..'гния асскыилятов.

В работе были определены задачи изучить: • 1) особенности формирования донорно-акцепторной слстоки б репродуктивный период развития риса и функционирования до-юрных к акцепторных органов у разных морфотипов

2) транспорт и распределение "ассимилятов в связи с транспорто:/ и распределением фитогормонов;

3) эндогенную регуляцию накопления запасного вэдестБа и акцепторных органах;

4) экзогенную регуляцию продукционного процесса.

Научная новизна. Выявлены общие особенности функционирования донорно-акцепторной системы у риса в рэпродуктившй период развития, специфика донорно-акцепторных отношений и их регуляции у сортов риса интенсивного и экстенсивного морфотипов. Впарше изучено распределение и запасание ассимилятов на заключительно* этапе морфогенеза. Показаны различия в донорных характеристиках флагового листа у сортов разного морфотипа в связи с применением регуляторов роста. Изучены особенности механизма действия синтетических регуляторов роста, приводящие к увеличена» урозкая зерна.

Практическая значимость работы. Полученные данные позволяют наметить тенденцию в селекции риса с учетом особенностей функционирования его донорно-а-щопторной системы: подавление ка заключительном этапе онтогенеза функциональной активности нижнего аттрагируюцего центра (шшшх мездоузлий и зоны кущения) с одновременным сохранением или улучшением качества верхнего (созревающей метелки). Достикокке аналогичного результата у ухе возделываемых сортов возможно при подборе и прих&юпих

высокоэффективных и экологически безопасных регуляторов роста со специфической направленностью действия. Показано увеличение урокая зерна риса под влиянием новых регуляторов роста - морфонола и кротонолактона, что позволило рекомендовать их к практическому применению.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях молодых ученых ВПИ ДВО РАН (1988, 1993); региональной конференции "Флора и фауна Приморского края и сопредельных регионов" (Уссурийск, 1991); 2-ом (Минск, 1990) и 3-ем (С.-Петербург, 1993) съездах ВОФР; 2-ой конференции "Регуляторп роста и развития растений" (Москва, 1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, заключения и выводов, списка литературы и приложения. Изложена па 172 страницах машинописного текста. Содержит 19 рисунков к 23 таблицы. Список литературы представлен 246 работами, из которых 125 на иностранных языках.

ОВЬЕКШ И МЕТОДЫ ИССВДОВАНШ

В качестве объектов исследования были выбраны сорте рися дальневосточной эколого-географической группы (Oryza sativa L. subsp. Japónica), контрастные по морфологическим и физиологическим признакам. Сорта Дальневосточный и Новосельский, относящиеся к экстенсивному морфа типу, имеют длинный стебель и большой по размеру флаговпй лист, расположенный иланарно. Сорта интенсивного морфотипа (Малыш, Приморец, Дальрис-11) обладают коротким стеблем, небольшим по размеру флаговым листом, расположенным эректоидно, увеличенной способностью к кущению, повышенной отзывчивостью на азотные удобрения (Алешин, Конохова, S986).

Растения выращивали на полях Приморского фил. ВНИИ Puuu (с.Новосельское) и в тешшце / вегетационном домике БПЙ ДВО РАК. Посев семян и агротехнические мероприятия проводили в соответствии с имеющимися рекомендациями (Криволапов, 1971; Алешин, Конохова, 1986).

При изучении фиксации С02 органами риса, транспорта и

распределения фотоассимилятов и фитогормонов по растению применяли метод радиоактивных индикаторов. Введение 14С в растение осуществляли в полевых условиях путем фотосинтеза е ассимиляционной камере по методике И.Ф.Беликова и Б.М.Семкина (1968) с некоторыми изменениями. Введение 14С-фитогормонов в растение производили путем намачивания середины флагового листа или верхней части метелки. Радиометрический анализ проводили по методике Х.Л.Хейна с соавт. (1984) на жидкостном сцинтилляционном счетчике "Delta - 300" (Тгасог Analytic, США). Радиоавтографический анализ проводили по методике Ю.Я.Мазеля (1977). Фиксации 14С0, листом определяли по величине средней удельной радиоактивности высечек, взятых сразу после экспозиции растения. Величину оттока 14С-ассимилятов рассчитывали как разность между средней радиоактивностью высечек, взятых сразу после экспозиции, и через сутки, что являлось достаточней по времени для того, чтобы основное количество ¡чС-асскмилятов оттекло из исследуемого листа (Kunio et al., 1983).

Для определения биохимического состава органов орали навлеку 0.5 г фиксированного растительного материала, размалывали и экстрагировали хлороформно-этанольной смесью (1:2 по V) липиды (Кейтс, 1975). Экстракцию спиртоводорастворкмкх соединений проводили по методике Э.Вярка с соавт. (1968). Крахмал гидролизовали диастазой (Ермаков и др., 1952; Не et al., 1983). Гидролизаты отделяли центрифугированием при 6000-7000 g в течении 10 мин. Осадок использовали для гидролиза белков трипсином по методике Н.И.Четвериковой и В.П.Жемчуговой (1973) с некоторым:: изменениями. Оставшийся после всех экстракций осадок принимали за вещества клеточных стенок.

Количественное содержание основных фракций органических соединений определяли путем взвешивания остатка растительного образца после последовательного удаления из него той или иной фракции (Не et al., 1989).

Фракционирование соединений, растворимых в этаноле и воде, на основные группы веществ (аминокислоты, сахара, органические кислоты) проводили при помощи ионнообменных смол катионита КУ-2 и анионита Дауэкс-3 (Филиппова, 1962).

Содержание фитогормонов в колосках и зоне куще^шя определяли методами твердофазного иммуноферментного анализа и газо-жидкоетной

хроматографии (ГЖХ). Экстракцию хг иммуноферментный анализ фитогормонов проводили по методике Г.Р.Кудояровой с соавт. (Кудоярова и др., 1986; Шакирова и др., 1986). Абсцизовую кислоту (АБК) для анализа методом ГЖХ выделяли путем экстракции диэтиловим эфиром и очистки на колонке с сефадексом Ш-20 (Р1гаппас1а 1ЖВ) (БапсШе^ еХ а1., 1981; Карягина и др., 1988). Индолилуксускую кислоту (ИУК) и АБК метилировав после экстракции (Кислшз, Яефели, 1981). Анализ АБК после метилирования проводили на хроматограф' (Газохром И063) по методике Е.Н.Кислинэ и В.И.Кефели (1931).

Обработку регуляторами роста растений проводили в ползбнх мелкоделяночннх и вегетационных опытах. Концентрация ИУК - 500 мг/л, гибберелтша - -100. мг/л, кинетина - 100 мг>я, морфоаома (£?,К-ди-(оксиэтил)морфолиний) - 1 г/л, кротонолактона (2-оксо-2,5-дигидрофуран) - 100 мг/л, АБК - 2.6 мг/л.

Урожай зерна и его структуру определяли в условиях мелкоделяночного полевого опыта (площадь делянок 5, 20 ),;"', повторность делянок в опыте 4-7 кратная, способ размещения -последовательное расположение вариантов в один ярус (Доспехов, 1958)) в соответствии с общепринятыми методика.™ (Майсурян, 1954; Сметанин, 1972). Оценку величины реутилизации сухого вещества стебля проводили по чистому балансу сухого вещества разных органов (Кумаков и др., 1983; Ляховкин, Ковалев, 1988).

Статистическую обработку дашшх осуществляли по общепринятой методике (Кокунин, 1976; Зайцев, 1990),

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1.1. Элементы донорно-акцэпторной- системы риса и характер изменений сухой массы органов в репродуктивный период

К началу репродуктивного периода у риса фотосинтезируют три, реже четыре, листа из 12-14, последовательно появлявшихся ъ онтогенезе. Они усваивают до 95% всего и только около 5% -

фиксируют зеленые части метелки.

Больший вклад в фиксацию в середине репродуктивного

периода из всех трех листьев вносит флаговый лист. Аналкк формирования его сухой массы показал, что при цветении метелки флаговый лист, в зависимости от морфотипа, составляет 1/3 (о. Дальневосточный) или 2/3 (с. Дальрис-11) от своего конечного

размера (рис. 1 А). Только на 7 день после цветения. (ДТЩ) сухая масса флагового листа каждого из сортов достигала максимального значения, а в дальнейшем наблюдалась тенденция к снижению. Это свидетельствовало, что в начале репродуктивного периода флаговый лист потреблял часть фотоассимилятов в собственных ростовых процессах, т.е. являлся акцептором, и только на 7 ДПЦ окончательно превращался в донор.

В репродуктивный период происходило последовательное увеличение сухого веса метелки риса (рис. 1 Б) вследствие роста колосков (рис. Б А). Сухой вес цветочных чешуй не изменялся. Максимальное увеличения наблюдалось с 7 ДПЦ, т.е. с того времени, когда флаговый лист заканчивал рост. Конечный размер (вес) флага-листа был вдвое меньше у сорта интенсивного морфотила Дальрис-11, который тем не менее, формировал по весу-такую ке метелку, как и сорт Дальневосточный (рис. 1). Следовательно, мобилизация фотоассимилятов для формирования запасных отложений б колосках была гораздо выше у сорта интенсивного морфотипа.

Кроме метелки, значительные изменения в репродуктивный период претерпевал сухой вес стебля ¡.рис. ! В). С цветения до середины, репродуктивного периода вес стебля возрастал у с.Дальрис-п в Ь раза, а у длинное те бе льного сорта Дальневосточный - з 7 раз. Бо вторую половину репродуктивного периода вес стебля резко снижался у второго сорта и незначительно у первого вследствие процесса реутилизации.

Таким образом, в. первой половине репродуктивного развитии окончательно формируется донорно-акцепторная система риса: флаг-лист достигает ■ конечных размеров; стебель завершает свое формирование не только как канал связи между донорами и акцепторами, но и как временное депо ассимилятов; окончательно определяются два концевых акцептора - созревающая метелка к зона кущения. Эта система функционирует до полного созревания семян, причем, стебель как временное депо ассимилятов может дополнительно к флаг-листу и сохранившимся подфлаговым листьям осуществлять донорные функции по отношению к созревающей метелке.

1.2. Фотосинтетическая активность, отток и распределение —С-асскмилятов

Было установлено, что в фазу цветения три верхних листа, риса

дни после цветения

Рис. I. Изменение сухого веса Ллагоиого листа (А), метелки (Б), стебля (В) в репродуктивный период развития риса. I - сорт Дальневосточный, 2 - сорт Дальрис-П.

фиксировали 14С02 примерно с одинаковой скоростью (рис. 2). Сдуем 17 ДПЦ у с.Дальрис-11 и 23 ДПЦ у с.Дальневосточный фиксация 14С0^ флаговым и подфлаговым листьями возрастала на 50-60% по отношению к фазе цветения. В конйе репродуктивного периода на 34 ДПЦ фиксация 14С02 верхними )листьями снижалась, за исключением подфлагового у с.Дальневосточный, что было связано с затягиванием налива семян у этого сорта вследствие полегания растений. Сравнение динамики фиксации 14С02 листьями одного яруса показало, что у с. Дальрис-11 величина фиксации снижалась к концу репродуктивного периода в 2-3 раза, в то бремя как у с. Дальневосточный уменьшалась незначительно. На протяжении Есего репродуктивного периода наибольшей величиной фиксации обладали флаговый и подфлаговый листья. У с. Дальрис-11 величина усвоения 14С02 на мг сухого веса этими листьями была в фазу цветения и' в середине репродуктивного периода выше, чем у с. Дальневосточный.

В фазу цветения наибольшая величина оттока 14С-ассимилятов была отмечена для подфлагового листа (рис. 2). В середине репродуктивного периода наблюдалось увеличение оттока из листьев. Наибольшую донорную активность имели два верхних листа. Отток из них в расчете на единицу сухого веса у с. Дальрис-11 был выше, чем у с. Дальневосточный. В конце репродуктивного периода отток из листьев вцелом уменьшался. С увеличением скорости фиксации 1чС0о листьями линейно увеличивалась и скорость оттока 14С-ассимилятсБ (рис. 3).

Анализ распределения 14С-ассимилятов показал, что в фазу цветения основными потребителями были меадоузлия стебля, флаговый лист и метелка (рис. 4). В начале налива колосков (3 ДПЦ) верхние листья различались по связям с акцепторами. Так как аттрагирующая способность колосков была в это время мала, то основным акцептором 14С-ассимшштов из флаг-листа были два верхних междоузлия, а у подфлагового - нижние меадоузлия с зоной кущения (табл. 1, рис. 4). Но часть 14С-ассимилятов из каждого листа транспортировалась и в отдаленные от них акцепторы: из флагового в нижние меадоузлия и, зону кущения, из подфлагового в верхние меадоузлия. В середине) репродуктивного периода свыше половины 34С-ассимилятов поступало в колоски метелки и резко уменьшалось их передвижение в междоузлия стебля и- зону кущения, уменьшалась остаточная радиоактивность листьев (рис. 4, табл. 1). В конце репродуктивного периода

Рис. 2. Скорость Фиксации ^СС^ листьями (светлые столбики) и оттока из них ^С-ассимилятоэ (темные столбик») а течение репродуктивного периода развития риса.

I - конец цоетекил, 2-17 (с.Длльрис-Ш или ¿3 (с.Дальнепосточ-ныП) день после цветения, 3 - ЗЛ день после цветения.

сорт Дальрис-11 и./- = 0.965 сор г Дл л инепостомIи.»й г -Л) 92Л

20 40 Г»0 80 100 Средняя скорость 01Т0К.1, 10 рлси. мни"1 иг'1

Рис.3. Зависимость скорости Аиксац-ли ^СО^ листьями о? скорсс оттока С-ассиуилятоа. Уравнение регрессии длт с.Дальн^востот (сплсаная линия): у = ¿2988.2 + 0.9х / с.Дальркс-П (пунчтнрч? линия): у = 16933.5 + Г.Ох.

о '\> 100

сор г Д.си.рис-1! сир» Дллмюиос»

и и

О О. флаг-лист

50

С. 2-й лист

1) 0 1 3-й лист

у стсбель

х 0 зона кушемия

С

1

17 34 I 21 .14 Дни после ц] 1Сгомия ■ Рис. 4. Изменение распределения *4С-фотоассишлятов в течение репродуктивного периода (в процентах от общей радиоак-тибн^ти растение).

Таблица I. Распределение 14С-ассимилятов из листьев-доноров в различные части растения риса сорта Дальрис-11 (в % 14С)

Часть Дни после цветения

растения 3 7 14

Из флагового листа

Влагалище флага 6.9±0.7 2.5-0.2 2.5±0.2

Междоузлие флага 20.6-3.5 1.0±0 1 0.9±0.1

Подфлаговый лист следы следы следа

Влагалище подфл.л. 1.4-0.4 0.2±0.1 0.2±0.1

Междоузлие подфл.л. 44.9±3.6 2.4±0.3 3.6-0.4

Веточки метелки 2.2±0.4 2.4-0.5 1.4-0.;

Зерновки 81.9±7.7 84.5-3.4

Чешуи 19.5±2.7 8.9±1.2 6.0^0.7

Нижние междоузлия 4.4±0.5 0.6-0.2 • .0-0.2

Из подфлагового листа

Флаговый лист Влагалище флага Междоузлие флага Влагалище подфл.л. Междоузлие подфл.л. Веточки метелки Зерновки Чешуи

Нижние междоузлия

0.4-0.1 следы 1.1-0.1

1.1±0Л 0.2±0.1 5.1-0.6

13.4-1 Л 4.7-0.8 1.2±0.1

28.6±5.2 2.5-0.1 1.3±0.1

13.9±1.4 8.2-1.7 0.9-0.1

2.1-0.2 0.8-0.1 3.4^0.4

64.1±5.5 70.4-8.8

10.2±1.7 16.7-1.0 5.1±0.6

30.3±4.9 2.8-0.4 11.4-0.8

происходило снижение поступления 14С-ассимилятов в колоски, а в поступлении 14С в стебель проявлялись сортовые особенности: у длинностебельного сорта транспорт 14С-ассимилятов в стебель продолжал уменьшаться, а у короткостебельного количество 14с в стебле возрастало (рис. 4). На 40 ДПЦ флаг-лист оставался единственным фотосинтезируюндам органом на растении. Отток

14С-ассимилятов из него снижался (табл. 2), но полностью не

прекращался. Наблюдались сортовые особенности в характере распределения *4С-ассимилятов из флаг-листа и их поступлении в метелку и зону кущения. У длинностебельного сорта в метелку передвигалось в 3 раза больше 14С-ассимилятов, чем V короткостебельного. Основным потребителем продуктов фотосинтеза становился стебель. В него поступало до 50л всех экспортированных 14С-ассимилятов. Возрастала аттрагирующая способность . зоны кущения. Увеличение сухого веса нижних междоузлий и зоны кущения в конце репродуктивного периода развития риса отмечалось и ранее (Ляховкин, Ковалев, 1988).

Было обнаружено, что 14С-ассимиляты, синтезированные зелеными частями метелки накапливались в зерновках. Лишь от цветения до 3 ДПЦ 42% *4С-ассимилятов оттекало из метелки в междоузлия флага.

Таблица 2- Распределение 14С-ассимилятов, - экспортированных из флага, по растению на стадии полной спелости зерна риса (40 ДПЦ)

Орган / часть растения сорт Дальневосточный сорт Дальрис -11

% сух.массы % 14С % сух.массы % 14С

Влагал.флага 7.3-1.3 25.6±6.4 7.8-0.7 24 2±2 0

Стебель 26.0-4.0 51.3±16.0 24.9-2.9 48 4±10.1

Зона кущения 8.0±1.7 6.4±1.0 9.2±1.8 22 2*4. 0

Метелка 58.7±7.3 16.7±0.6 58.0-3.9 5.2±1. 6

Отток из флага 7.98% 13.78%

Полученные результаты свидетельствуют, что после выметывания и в первой половине репродуктивного периода рост междоузлий стебля, флагового листа и колосков метелки происходил одновременно. Изучение распределения 14С-ассимилятов показало, что междоузлия стебля после выметывания обладали высокой аттрагирующей способностью, превосходящей у длинностебельного сорта аттрагирующую способность метелки. Ранее аналогичные результаты были получены до выметывания метелки риса (]Ги;)1Ла, УоэМйа, 1984).

Таким образом, смена приоритетов, характеризующая у риса изменение донорно-акцепторных отношений, происходила по мере созревания колосков. В середине репродуктивного периода они

становились основным потребителем асснмилятов, а междоузлия стебля превращались из промежуточного акцептора в донор ассимилятов. В конце репродуктивного периода вновь возрастала аттрагирующая способность междоузлий стебля и зоны кущения.

1.3. Состав ^0-прод.уктов (фотосинтеза флага и формирование запасных отложений в акцепторах

Состав синтезируемых во флаговом листе и транспортируемых из него в акцепторы фотоассимилятов представлен преимущественно соединениями углеводной природы (рис. 5 В). В зависимости от морфотипа риса отмечены некоторые особенности, заключающиеся в том, что флаговый лист сорта экстенсивного морфотипа более насыщен подвижными соединениями по сравнению с сортом интенсивного морфотипа (рис. Б А). Однако, у последнего отмечена более высокая подвижность этих соединений, т.е. их распределение и утилизация в акцепторных органах. Об этом свидетельствуют данные о более высокой степени включения у сорта интенсивного морфотипа в общий фонд растворимых продуктов (рис. 5 Б). Отмеченные нами особенности включения 14С в другие формы подвижных ассимилятов (аминокислоты и органические кислоты) на протяжении репродуктивного периода также, вероятно, характеризуют специфику морфотипа (рис. 5 Г, Д).

Было отмечено, что если во время цветения, судя по включение 14С в ткани метелки, наблюдалось преимущественное накопление веществ клеточных стенок, то позднее в зерновках превалировал синтез крахмала, что отмечалось и другими авторами (Perez et al., 1975; Не et al., 1989). Снижение синтеза крахмала в конце созревания коррелировало с уменьшением скорости фиксации 14С02 верхними листьями.

При полной спелости зерновок только часть 14С-ассимилятов, передвигавшихся из флаг-листа в нижнее междоузлие и зону кущения, использовалась на синтез высокополимерных соединений. 80% 14С обнаруживалась во фракции спиртоводорастворимых соединений. У сорта интенсивного морфотипа фотоассимилятов в нижнее междоузлие и зону кущения притекало больше в. сравнении с сортом экстенсивного морфотипа и они активно вовлекались в реакцию биосинтеза крахмала.

1.4. Эндогенная регуляция накопления сухого вещества в акцепторах

° от общей радиоактивности раствор.фракции флага

мг растворимой фракции е> 100 мг сухоР массы йлага

О Ю to 4} ^о

tí

со N

'О

H -а

íü си о

2 X со

о

о Ja

с H О

'О

г» Р

Г) с\ О

Sa fcs -3

О о

-3 о

'У

'О 5."

р

-з о

NTC

о

р.)

р; •а

О -э Г.)

'а s

ч сз л

р X s

о

г?

ч

о Аз

X

о О

Ú> о

х О

ж ч

■У о

о

л,

г. h

St Р

О

О

•3 •*

ÍU у ^ ся

I +

р/активкость раств.фракции гЬлага в % от ойщ.р/активности

В репродуктивный период происходили значительные изменения в содержании свободной ЮТ и АБК в тканях отдельного колоска (рис. G Б). Содержание ИУК в колоске вначале медленно (с 7 ДПЦ), а затем быстро (с 11 ДПЦ) повышалось, достигая максимального значения на 19 ДПЦ. Увеличение содержания ИУК происходило в течение 12 дней и затем снижалось. Содержание АБК в колоске начинало повышаться через 4 дня после цветения, достигало максимального значения на 15 ДПЦ, затем снижалось до 19 ДПЦ и вновь повышалось до конца наблюдений (рис. 6 Б).

В фазу максимального увеличения сухого веса колоска наблюдалась корреляция между увеличением содержания фитогормояов и накоплением сухого вещества. Особо следует отметить одновременность увеличения содержания АБК и накопления сухого вещества. Предполагается, что АБК может увеличивать аттрагируюшую способность плодов путем стимуляции разгрузки флоэмннх окончаний (Cliiorû et al, 1987; Воронкова и Жемчугова, 1992) и/или через активацию крахмалообразования (Борзенкова и др., 1993). Медленное повышение содержания ИУК в колоске начиналось одновременно или несколько позже начала интенсивного налива. Максимального значения содержание ИУК достигало в конце фазы интенсивного налива колоска (до 19 ДПЦ). После этого наблюдалось снижение содержания ИУК, предшествующее снижению уровня оводнешюсти колосков.

Изучение содержания АБК у сортов экстенсивного и интенсивного морфотипов показало, что если у первого содержание АБК на 14 ДПЦ в метелке снижалось, что подтвердило данные, иммуноферментного анализа (рис. 6), то у второго происходило последовательное увеличение АБК в метелке (рис. 7). У сорта Дальневосточный наблюдалось два максимума содержания АБК - на 7 и 23 ДПЦ, у сорта Дальрис-11 - один, на 14 ДПЦ. В абсолютных значениях максимальное содержание АБК было существенно выше у сорта Дальневосточный.

На рис. 7 также показано включение в полимерные фракции колосков двух сортов в течение репродуктивного периода. Наблюдалась корреляция между изменением включения в полимерные фракции колосков и содержанием АБК.

Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили существование положительной корреляции между содержанием АБК и накоплением сухого вещества колосками, обнаруженной ранее на других культурах (Bangerth et al., 1985; Brenner, 1987; Холодова и

■и до з: -з

Р 25

01 1 л О

я

з: X О) СГ>

О

X 3=> *

л о

-< а

•о X со о

х Ьз а «с

о о га (0 СО

р> Ъ з:

о со

'■< <0

о о з:

о X 0) X

43 ^ 5 о»

н д о

<<

3=з р; X о

Г>3 X о

о п ги

к о ^

о 0«

о ч о К;

03 СЗ ч о О

о о о

о ч

-э СЯ о

о V X

5 о

ф 6 ь

2 а X о

^ о о

о со

§ —ч аз

-э

э

го

£в

гз сл о

го о о

"о

з;

о и •а

>1 *

Ъ

инз; -и

а> уЬ.

'у О о

Содержанке АБК, иг

СухоР вес. мг

-Э< ^

X о ст> -+4

ч 3?

о

•5 р X

р о ш Г5;

сг о X 01

ё о

«; о о

О ■2с з:

0* о

да X

0) в о X

-з о о О)

га са

сп ья ь о

Я со П) о

1 г л

с\ 0) СО

о •о X л:

з: о з:

п о л р

1=3 К з:

р з х

•о 33

0> 2ч

03 Н &

<0 с; сз ОТ

ь X ^

о к>

о о 53

-3 ь

о 35 x

г 1 x

° & 8 8 Содержание ИУ1(, нг

" " » л о

Оводиекность, мг

включение

14,

С в

полимерные фракции

СО Д СП О1 <3

сл сл сл сл сл

мкг АБК в I г сыро«

О

п СЛ сл сл

масса метелки

-а -

- Ib -

др., 1993).

1.5. Транспорт и распредвлегою фитогормонов

При помощи радиоавтографического и радиометрического методов был показан транспорт ,фитогормонов (КУК, ГК, АБК) из флагового листа и поступление их в метелку, междоузлия стебля и зону кущения в репродуктивный период. Вещества класса цитокиников но транспортировались из зоны нанесения на флаг-лист в другие органы. Было обнаружено сходство между передвижением 14С-фитогормонов и 14С-фотоассимилятов из флаг-листа, заключавшееся в том, что *4С-ИУК, 14С-АБК и 14С-гиббереллин обнаруживались практически в тех ке органах, что и 14С~фотоассимиляты. Возможность существования связи между транспортом фитогормонов и фотоасеимилятов была показана ранее другими авторами (Анисимов и др., 1986; А.Полевой, В.Полевой, 1993). Было обнаружено базипетальяое передвижение 14С-фитогормонов (14С-ИУК и 1 ''С-АБК), а также 14С-сахарозы и 14с-фотоасе;1лллятов из колосков метелки, отмеченное ранее другими авторами (Полевой, 1984; Brenner, 1987; Чиков и др., 1993). Проведенные эксперименты показали, что в репродуктивный период может осуществляться обмен фотоассимилятами и фитогормонами, по крайней мере МУК и АБК, между донором к акцептором.

1.6, Экзогенная регуляция образования, транспорта и папасат-ц; ассимиллятов

Изучение закономерностей транспорта ассимилятов и фитогормонов в репродуктивный период позволило _ более целенаправленно исследовать возможности экзогенной регуляции распределения ассимилятов.

Было обнаружено, что обработка АБК как донора ассимилятов

(флаг-листа), так и акцептора (метелки) в фазу максимального.

увеличения сухого веса колосков вызывала повышение фиксации 14С0о

f л ^

флаг-листом и величины экспортируемых С-ассимилятов. Кроме того,

она влияла на конкурентные взаимоотношения между отдельными

колосками в метелке, так как увеличивала аттрагирующую способность

колосков средней зоны метелки. Но действие АБК на донор и акцептор

ассимилятов зависело от фазы созревания колосков. В конце

репродуктивного периода обработка АБК снижала о гток

14С-ассимилятов из флаг-листа и их поступление в колоски, что могло быть связано с возрастанием пула эндогенной АВК под влиянием обработки (Таланова и др., 1990).

Обработка регуляторами роста (МУК, гиббереллином и кинетином) как листьев, так и метелок способствовала в первую очередь повышении фиксации 14С02, а отток 14С-ассимилятов и поступление ях в метелку не всегда коррелировали с изменением функциональной активности фотосинтезирующих листьев. Так, в ряде случаев наблюдалась задержка оттока ^4С-ассимилятов из флагового листа. Это в первую очередь относилось к сорту экстенсивного морфотипа, б то время как сорт интенсивного морфотипа проявлял повышенную отзывчивость на обработку. Из всех регуляторов роста наибольший эффект на сорт интенсивного морфотипа оказала обработка кинетином.

Синтетические регуляторы роста - морфонол и лротонолактоя различались по физиологическому действию на растения риса. Кротонолактон, стимулируя после обработки фотосинтез флаг-листа, задерживал отток фотоасс'имилятов. Морфонол оказывал противоположный эффект в первые сутки после обработки, а в последующие - также ингкбировал отток. Обработка растений кротонолактоном приводила к увеличению включения 14С во фракцию спиртоводорастворимых соединений колосков, . а под влиянием морфонола увеличивалось включение ^С во фракцию крахмала колосков. Оба препарата изменяли содержание фитогормонов е " колосках: обработка кротонолактоном приводила к увеличению ИУК и зеатинподобных веществ (ЗШ), но не изменяла содержания АБК; морфонол увеличивал содержание ИУК, АБК и ЗПВ спустя 3-ое сут., но на 10-ые сут. в колосках сохранялся только повышенный уровень ЗШ.

1.7. Конечные эффекты регуляторов роста растений

В результате трехлетних полевых исследований была обнаружена неоднозначность влияния регуляторов роста на урожай зерна риса (табл. 3). Постоянное повышение урожая имело место в варианте с кинетином, что отмечалось и ранее (S.Singh, G.Singh, 1982; Singh, Gurung, 1982). Повышение урожая происходило за счет увеличения абсолютного веса зерен. Под действием морфонола основная част! прибавки урожая, по-видимоху, формировалась- также за счет максимального увеличения абсолютного веса зерна, что отмечалось и на других культурах (Сальников и др., 1989). Увеличение урожая под

действием кротонолактона могло быть обусловлено повышением абсолютного и натурального веса зерна. ЮТ и гиббереллин существенного влияния из изменение урожая зерна не оказали.

Таблица Влияние регуляторов роста на величину и структуру урокая зерна растенил риса (с. Новосельский, средние данные трехлетних опытов)

Варианты Урожай зерна Вес 1000 Натур, вес

обработки ц/га %% зерен, г зерна, г/л

ИУК 37.2

Гиббереллин 40.7-

Кинетин 48.8*

МУК+ГК+Кине тин 44.0

Морфонол 48.4*

Контроль 39.0

Кротонолахтон 5в.З*

Контроль** 48.3

95.4 30.5* 594

104.3 29.8 581

125.1 ... 30.3* 586

112.9 59!

124.3 30.8* 582

100.0 30.1 586

116.5 28.9* 543*

100.0 27.8 531

Примечание: (*) разность существенна при 5% уровне значимости, (#*) контроль к обработке кротонолактоном.

заключение

В работе получены новые сведения об особенностях функционирования донорно-акцепторной системы риса, состоящей из основных доноров фотоассимилятов - верхних листьев, и основных акцепторов - зоны кущения с корневой системой, междоузлий стебля и метелки, в репродуктивный период развития. Донорно-акцепторная система риса в репродуктивный период не является окончательно устоявшейся, а подвержена изменениям. Характер распределения ассимилятов между элементами системы определяется: 1) превращением флагового листа в чистый донор фотоассимилятов; 2) взаимоотношением двух концевых акцепторов ассимилятов (колосков метелки и нижних междоузлий с зоной кущения) и промежуточного акцептора (междоузлий стебля). В первой трети репродуктивного, периода потребителями фотоассимилятов в растении являются флаговый

лист, междоузлия стебля, метелка и зона кущения. Во всех этих органах протекают формообразовательные процессы. В начале максимального накопления запасных веществ в колосках флаговый лист превращается в чистый донор фотоассимилятов, увеличивается его функциональная активность, резко снижается поступление фотоассимилятов в междоузлия стебля и зону кущения. С повышением запроса от колосков междоузлия стебля становятся дополнительным донором ассимилятов. В конце репродуктивного периода, когда аттрагирунцая способность колосков затухает, наиболее активно функционирующим звеном донорно-акцепторной системы остается "флаговый лист - нижние междоузлия + зона кущения", что обусловливает функционирование флага-листа как активного донора после созревания метелки.

Донорная система риса обладает большими потенциальными возможностями и способна обеспечить запрос на ассимялягы со стороны всех акцепторов. Свидетельством этому является увеличение фотосинтеза верхних листьев и оттока из них фотоассимилятов при возрастании запроса от акцепторов, причем, функциональная активность доноров может усиливаться под воздействием экзогенных регуляторов роста. Кроме того, при вдвое меньших окончательных размерах флаг-листа у интенсивного морфотипа по сравнению с экстенсивным и практически одинаковой интенсивности фотосинтеза у обоих сортов формируется равная по массе метелка.

Состав фотоассимилятов во флаговом листе представлен преимущественно соединениями углеводной природы. В зависимости от морфотипа риса отмечены некоторые особенности, заключающиеся в том, что флаговый лист сорта экстенсивного морфотипа более насыщен подвижными соединениями по сравнению с флаг-листом сорта интенсивного морфотипа. Однако, у последнего отмечена более высокая подвижность этих соединений.

Регуляция транспорта и распределения фотоассимилятов в акцепторные органы осуществляется с участием фитогормонов. ОО этом свидетельствует: 1) совпадение топографии распределения передвигающихся фитогормонов (КУК, АВК и гиббэрелллна) и фотоассимилятов; 2) корреляция между накоплением сухого вещества и содержанием фитогормонов в акцепторах (МУК и АБК); 3) действие экзогенных регуляторов роста на донорно-акцепторнне отношения, приводящее к увеличению функциональной активности донорных и

- ':> -

акцепторных органов и повышению урожая зерна, вероятно, благодаря изменению уровня эндогенных фитогормонов.

Донорно-акцепторная система риса функционирует достаточно ' надежно и эффективно, обеспечивая не только генеративное, но и возможность вегетативного размножения. Существование нижнего аттрапфупцего центра является положительным признаком для сохранения вида, но о хозяйственнофочки зрения это отрицательный признак, так как затрудняет механизированную уборку урожая из-за высокой влажности живой соломины. Поэтому от этого признака необходимо избавляться подавлением нижнего акцептора двумя известными путями: 1) через селекцию сортов, у которых функционирование нижнего акцептора во второй половине периода репродукции было бы полностью приостановлено или значительно ослаблено; 2) путем достижения этого же результата через воздействие синтетическими регуляторами роста, специфически тормозящими активность нижнего акцептора,

еьводы

1. Донорно-акцепторная система в период репродукции риса представлена донорами - флаговым и подфлаговыми листьями; каналом связи - стеблем; концевыми акцепторами - метелкой и нижними междоузлиями с зоной кущения.

2. Особенностью донорно-акцелторной системы в начале периода репродукции является неполная сформированность флаг-листа и стебля. Накопление сухого вещества органами в первую треть периода репродукции обусловлено конкурентными взаимоотношениями между ними за фотоассимиляты, причем флаг-лист и стебель дополнительно выполняют акцепторную функцию. Окончательно формирование системы завершается к началу интенсивного налива зерна.

3. В. последующие фазы репродукции флаг-лист выступает как чистый донор фотоассимилятов для метелки, куда поступает до 80% всех распределяющихся фотоассимилятов, и нижнего акцептора. Верхняя часть стебля может выступать как дополнительный донор ассимилятов из запасного фонда, сформированного в предыдущие периода вегетации.

4. После полного созревания метелки продолжает функционировать звено донорно-акцепторной системы "флаговый лист -

нижние междоузлия с зоной кущения", что при наличии подходящих условий дает возможность продолжить вегетативный рост риса с образованием полноценных побегов и дальнейшей репродукцией.

5. Фотосинтетическая система донорных органов риса работает эффективно и надежно. Увеличение фотосинтеза, вызванное усилением запроса ассимилятов со стороны акцепторов, сопровоидается соответствующим усилением оттока.

6. При практически одинаковой интенсивности фотосинтеза и оттока и при вдвое меньших размерах флагового листа растения интенсивного морфотипа формируют такую же по массе метелку, как к экстенсивного. Это обусловлено большей эффективностью использования фотоассимилятов за счет снижения параметров донорно-акдепторной системы - уменьшения размеров флагового листа и стебля.

7. Транспортные продукты фотосинтеза представлены преимущественно углеводами. Насыщенность тканей флагового листа углеводами выше у экстенсивного морфотипа, а их обновление - у интенсивного, что также свидетельствует о более эффективном использовании последним синтезированных фотоассимилятов.

8. Регуляция транспорта, распределения и запасания ассимилятов происходит с участием фитогормонов - ИУК, АБК, цитокнниноб.

9. Синтетические регуляторы роста повышают содержание эндогенных фитогормонов, запасание ассимилятов и урожай зерна. Интенсивный морфотип более отзывчив на воздействие экзогенных регуляторов роста, чем экстенсивный.

10. Важное с биологической позиции функционирование звена донорно-вкцепторной системы риса "флаг-лист - нижние междоузлия с зоной кущения" после полного созревания зерна с хозяйственной точки зрения нецелесообразно, так как затрудняет механизированную уборку урожая из-за сырого стебля. Избавиться от этого недостатка можно двумя путями - селекцией или подбором соответствующих регуляторов роста, подавляющих деятельность нижнего аттрагирующего центра.

СПИСОК работ, опубликованных по материалам диссертации 1. Карпов Е.А., Гладун И.В., Белозерова О.Л. Применение

- PA -

регуляторов роста растений на рисе // Рост и развитие растении: ' Тез. дсисл. Все союз, совещ. - U., 1991. - С. 85.

2. Гладун В.В., Белозерова О.Л., Карпов S.A. Некоторый • аспекты механизма действия кротонолактона и морфсшола на растения риса в репродуктивный период // Рост и развитие растений:" Тез. докл. Всесоюз, совещ. - Ы., 1991. - С. 27.

3. Гладун И.В., Карпов Е.А., Белозерова О.Л. Признак иноголегностл у риса культурного (Oryza sativa L.): физиолого-Оиохимический аспект // Флора и фауна Приморского края и сопредельных областей: Тез. докл. науч. конф. - Уссурийск, 1991. - С. 63-64.

4. Гладун И.В. Действие абсцизовой кислоты на транспорт и распределение ассимшштов у риса // Нивотный и растительный мир Дальнего Востока: Ыехвуз. сб. науч. тр. - Уссурийск, 1992. - С. 153-158.

5. Карпов Е.А.» Гладун И.В., Белозерова О.Л., Баркалова O.K. Участие зеленых органов в фотосинтезе и распределении ассимилятов при созревании зерна риса // II Всесоюз. съезд физиологов растений: Тез. докл. - М., 1992. - Ч. 2. - С. 92.

6. Белозерова О.Л., Гладун И.В., Карпов Е.А. Изменение содержания запасши соединений и эндогенной АБК при созревании метелок раса // II Всесоюз. съезд физиологов растений: Тез. докл. - Ы., 1992. -Ч. 2. - С. 24.

7. Гладун И.В., Карпов Е.А. Распределение ассимилятов из флагового листа риса в репродуктивный период развития // Физиология растений. - 1993. - Т. 40. - N. 2. - С. 237-240.

8. Гладун И.В., Картов Е.А. Образование' ассимилятов и их ра определение после цветения меэду метелкой и вегетативными органами у риса // Физиология растений. - 1993. - Т. 40. - N. 5. -С. 728-733.

9. Gladun i.V., Belozyorova O.L., Karpov Е.А. Phytohormone Levels and Dry Hatter Accumulation In Grains irora Dlllerent Positions within a Hice (Oryza sativa 1.) Panicle // XV Intern. Bot. CoBgr.: Abstracts. - Yokohama, 1993. - P.451.

10. Belozyorova 0.1., Gladm I.V., Karpov E.A. On the Eííect oX Plant Growth Regulators on Rice (Oryza sativa Ь.) in Reproductive Period // XV Intern. Bot. Congr.: Abstracts. - Yokohama, 1993. -P. 458.

11. Karpov E.A., Gladun I.V., Belozyorova O.L. Source-sink

Relation In Hice (Oryza sativa L.) during Conclusive Stages of Ontogenesis // XV Intern. Bot. Congr.: Abstracts. - Yokohama, 1993. - P. 460.

12. Глядун И.В.," Белозерова О.Л., Карпов Е.А. Влияние абсцизовой кислоты на транспорт ассимилятов из флагового листа _в зерновки риса // Регуляторы роста и развития растений: Тез. доки. - К., 1993. - Ч. 1. - С. 21.

13. Гладун Я.В. Донорно-акцепторные отношения у риса в репродуктивный период развития // III Всероссийск. съезд физиологов растений: Тез. докл. - С.-П., 1993. - Ч. 3. - с. 282.

14. Карпов Е.А., Гладун И.В., Вело&ерова О.Л. Фотосинтез флагового листа и поступление фотоассимшштов в метелку риса // III Всероссийск. съезд физиологов растений: Тез. докл. - с.-П., 1ЭЭЗ. - Ч. 3. - С. 320.

Игорь Владимирович ГЛАдУН

Д0Н0РН0 -АКЦЕПТОРНЫЕ ОШШШШ Л ш. ттшща У Огуга Ваг1уа Ь. В РШРОДУЖПШл ПЕРШЕ РЛЗБЖШ

Автореферат

Лицензия ЛР № 04011В от 15.1и.»1 г. Подписано к печати 17.05.94 г. ¿оамат 6ихЬ4/16. Печать офсетная. Усл.п.л. 1,39. /ч.-пзд.л. 1,2У. Тираж 100 экз. Заказ 79.

Отпечатано участком опепатпшюй полигоайш: издательства "Дальнаука"

690041, Владивосток, Радио, 7