Фитохромзависимые процессы автотрафного развития пшеницы в связи с проблемами физиологической экологии семян

Кузнецов, Евгений Дмитриевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Фитохромзависимые процессы автотрафного развития пшеницы в связи с проблемами физиологической экологии семян
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Фитохромзависимые процессы автотрафного развития пшеницы в связи с проблемами физиологической экологии семян"

на ов

и О- • " '

российская лздшя сельаюжштгьаюыч наук

ОРЛЕМ ТРУДОТОГО крлсесго 311а)ж1ш агг01--акЧЕСга«Я члучно-исслдавлт№скчй институт

11а правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Евгений Дмитриевич, ¡'-андкдат С-иоюгич-зскнх паук

УДК 501.14 : 533.11 : 576.33

ФИТОХРОМЭАВИСИШ?, ПРОЦЕССУ акт ОТ рс-ФКОГО РАЗВИТИЯ ГЕИЕШЩЫ В СВЯЗИ С ПРОБЛЕМА

физко.юг';гческоя экологам евтг

C5.0i.03 - эгрог.очшредяние и агросизи!»

Л И С С Е р Т А II И Я

на соискани» ученой степени доктора биологически:: нзук в форк? научного до/аада

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Селекционно-генетическом институте УААН и Институте общей физики PAR Научные консультанты: доктор сельскохозяйственных наук, академик РАСХН и УААН Л К. Сечняк и доктор физико-математических наук R А. Мидяев.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор ЕФ. Еатыгин,

доктор биологических наук, профессор а С. Сааков,

доктор биологических наук, профессор Е М. Бурень.

Ведущее учреждение:

Московская Ордена Ленина и Ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия имени К А. Тимирязева.

Защита состоится "3/" up^'tS 1993 Г- в ^-^"часов на заседании Специализированного совета Д 020. 21.0J в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу: 195СС0, Санкт-Петербург, Гражданский пр. ,54.

С диссертацией р. форме научного доклада можно ознакомится в библиотеке института.

Научный

доклад разослан »¿Г» % 1993 г.

.Ученый секретарь Специализированного совета доктор биологических наук.

№. Е Архипов

J.. ОБЩАЯ .ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1,1 Актуальность проблеш. Работа была начата во Всесоюзном селекционно-генетическом институте ВАСХНИЛ (ВСГИ)-ныне Селекционно-генетический институт УААН- и продолжена и завершена в Институте общей Физики РАН (ИОФАН). Еначале 'гена входила в программу сотрудничества стран членов СЭВ по проблеме "Разработка теоретических оское селекции, семеноводства и новых методов создания высокоурожайных и высококачественных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур", а затем исследования по тема диссертации выполнялись на основе годовых тематических планов Лаборатории экологического приборостроения ИОФАНВ связи с мзвдисциплинарлым характером работы ее отдельные фрагменты выполнялись такта в других учреждениях: на кафедрах биофизики и физико-химической биологии 1,5"'У и в лабораториях Институтов почвоведения и фотосинтеза и физиологии растений (ИФР) РАН

Тема работы связана с проблемой реализации потенциальной продуктивности пшеницы,которая среди других культурных растений Земли продолкаег сохранять первостепенное экономическое значение. Проблема является межотраслевой и решается с разных теоретических позиций. Одна иа них-агрофизическая (влияние физических факторов на рост, развитие и продуктивность растений)- успешно развивается в Агрофизическом научно-исследовательском институте РАСХН (АФЙ). В рамках агрофизической концепции особое внимание уделяется действию света и других электро-шгиитнщ излучений разного спектрального диапозона на формирование и реализации потенциала продуктивности пданкцы и других растений (исследования Архипова- М.Е,Ва?ыгина IIФ., Ермакова Е. И. , Моикспа Б. С. , Одумановой-Дунаевой -Г. А. , Пумпянской С. JI , Селицкой К. В. , Черноусом И. Н. и др.) Исследования, проводимые в АФИ,хорошо стыкуются с комплексными концепциями "фэ-тосшггвтцческой продуктивности" и "продукционного процесса",развиваемыми большой группой ученых под общим руководством А. А. Ничило-ровича и А. Т. Мокроносова. Несколько иные акценты в теории продуктивности растений расставлены в концепции "зкология семян пшеницы", в разработке которой принимал участие и автор диссертации. В ней особая роль отводится сеыэноведчесгам и экологическим аспектам. Несмотря на некоторые различия в исходных позициях перечисленные концепции сходятся на признании существенного значения в реализации потенциала продуктивности пкекицы таких этапов онтогенеза как прорастание семян,формирование фитоценоза фотосинтеэирухжих

- 2 -

растений и нового поколения семян.

Несколько особняком и г.дали от центра внимания исследователей стоит проблема формирования проростков и их автотрофного развития. Шесте с тем вопросы повышения их 'Чсачества" и "здоровья" в общей проблеме формирования и реализации потенциала продуктивности пшеницы.очевидно, не менее актуальны,чем эти хе вопросы.поставленные по отношению к семенам. Согласно.например,исследованиям группы сотрудников кафедр биофизики и физиологии растений МГУ структурно- функциональное состояние проростков многосторонним образом связано с потенциалом урожайности (см. сб.: "Физиолого-биохимические особенности пшениц разной продуктивности. М.: МГУ. 1980). Известно, что в процессах формирования проростков важная функциональная роль принадлежит Фитохрому С1]. Разнообразное участие в этих процессах принимают и фитогормоны С 1(35-40)3. В литературе встречаются исследования фитохромэависимых процессов формирования проростков пшеницы. Но в них часто отсутствует целостный подход к органиг-му,¡слетке и факторам эндогенной регуляции развития, что не позволяет комплексно оценить состояние проблемы. В литературе такяе плохо проработан вопрос о возможностях имитирования действия фитохрома химическими регуляторами роста. Вместе с тем решение этого вопроса дает шанси на обнаружение новых способов агротехнического воздействия на автогрофное развитие растений.

1.2. Цель и задачи работы. Исходя из сказанного цель наших исследований состояла в разработке на базе существующих кони-: пту-альных подходоз к проблеме реализации потенциала продуктивности пшеницы нового научного направления,касаодегося функционального значения Фитохрома ь автотроФном развитии указанной сельскохозяйственной культуры Для достижения этой цели решались следугаше основные задачи: обоснование выбора направления и темы исследования; разработка органнаменных и клеточных аспектов действия фитох-рома на автотрофное развитие пшеницы;постановка проблемы химических имитаторов действия фитохрсма и обоснование перспектив дальнейшей работы.

1.3. Основные положения, выдвигаемые на защиту. На защиту выдвинуты пять основных положений, которые сформулированы е разделе 8. Общие выводы.

1.4. Научная новизна. Принципиальную научную новизну имеют все пять основных положений диссертации,выдвигаемые на защиту (см. раздел 8"0бщие выводы". Из других сторон новизны результатов работы

следует отметить наши некоторые достижения методологического и методического характера,например,Енедренне в концепцию "экология семян пшеницы" новых для нее фотобиологических подходов к проблеме качества семян Ш178-160.214-236),2(275-263),3,43. перенос внимания приверженцев этой концепции на вопросы агтотрофного развития растений и функционального значения фитохрома [1.53 и выбор нового направления исследований на стыке проблем химической и световой регуляции физиологических процессов у растений [6-83.

1. 5. Практическая значимость работы и реализация ее результатов. Систематическое рассмотрение в данной работе проблем физиологии действия фитохрома может представлять интерес для педагогической практики (чтение спецкурсов по фотобиологии.фотобиотехнологии, агрофизике и физиологии растений). Специфика нашего экспериментального исследования заключалась в развитии представлений о поли-функциональности.органоспецифичности и оптимизирующей направленности действия фитохрома на примере пшеницы как объекта первостепенного экономического значения, что может способствовать внедрению полученной информации в частную физиологию и экологию (физиологию пшеницы,экологию семян пшеницы),а через них в теорию и практику растениеводства. В процессе экспериментальной работы усовершенствована (в направлении повышения специфичности) методика цитохимического выявления гистонов растительных клеток [9), а полученные данные по физиологии пшеницы использованы в исследованиях путей и способов световых воздействий на качество посевного материала! 103, на рост и биохимический состав проростков при производстве зеленых кормов [113 , а также при написании проблемных монографий И.23. Книга "Роль фитохрома в растениях" [13 , написанная по материалам, диссертации внедрена в педагогическую практику Ленинградского сельскохозяйственного института и Томского государственного университета (Акты о внедрении 1988 и 1989 гг.) и рекомендована для студентов биологических специальностей высших учебных заведений в качестве учебного пособия при изучении систем регуляции и интеграции у растений (Полевой,1989).

1.6. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XII Международном ботаническом конгрессе (Ленинград,1975), Международном симпозиуме по зеленению (Пушино, 1991) Межфакультетском семинаре Университета им. Е Коперника ( Польша, Тарунь,1991 ), на Всесоюзной школе-семинаре по биологии развития (Звенигород,1979), Школе МГУ по биомембранам ( Звенигород, 1989 ),

Всесоюзных симпозиумах "Генетические функции органоидов цитоплаз-мы'Ч Ленинград ,1971), "Фоторегуляшш метаболизма и морфогене- • за"( Москва. 1974). "Молекулярная и прикладная биоФизика'Ч Красно-дар,1974-,Кишинев. 1977)."Спектральный состав СЕета и продукционный процесс в управляемых системах" (Красноярск,1S90), Республиканском совещании по допосевной обработке семян полевых культур ( Харьков, 1982 ), расширенном семинаре Лаборатории биофизики и радиобиологии растений Агрофизического научно-исследовательского института FACXH ( Санкт-Петербург,1992 ), а также апробировались на расширенных научно-производственных семинарах г.о месту выполнения работы-. Институт общей физики РАН ( 1991, 1992 ). Селекционно-генетический ИНСТИТУТ УААН ( 1988, 1990, 1991 ).

1. 7. Публикации. По материалам диссертации опубликованы две монографии объемом 288 С 1 ] и 349 С 2 J страниц и 49 других работ , список которых в порядке цитирования в тексте представлен в конце диссертации.

1.8. Структура работы. Диссертация в форме научного доклада изложена на 43 страницах машинописного текста и содержит 12 рисунков и 9 таблиц. Она включает в себя разделы "Общая характеристика работы". "Обьекты и методы исследования" и 5 разделов.написанных по результатам исследования. В конце работы представлены общие выгоды (основные положения,выдвигаемые на защиту) и список публикаций по материалам диссертации. На эти публикации ссылки в тексте даются в квадратных скобках,а в круглых после порядкового номера работы указаны страницы цитируемого источника.

2. ОБЪЕКТЫ К МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Объекты исследования. При выборе объектов исследования учитывались экономическая ценность растении и их сортов и специфика решаемой задачи. Основная часть работы проведена с использованием мягкой яровой пшеницы сорта Альбидум 43 и Белорусская 80 и различных сортов мягкой озимой пшеницы интенсивного типа (Мироновская 803, Степняк. ОбриЯ, Одесская полукарликовая и др.). Ряд опытов проводилось на тритикале и других видах растений. Экспериментальными моделями в работе были сухие и замоченные семена,этиолированные и зеленые проростки, растения в период вегетации и репродукции и культура изолированных органов и тканей.

2. 2. Агрофизические . и биофизические методы. Растения выращи-

вали в полевых'орошаемых и неорошаемых условиях семхоза ВСГИ С123 с учетом метеорологических факторов среды или в контролируемых условиях Одесского фитотрона при максимальной освещенности до 30 клк (тип ламп ДРЛЗУ 400). Фотофизиологические опыты проводили с применением методов светокультуры растений (Леман, 1976), источников монохроматического света (спектральные облучатели Л0С-1М, АЕО-142 конструкции СКВ Пуизшо и лазерные установки типа ОМ1-12-1,ЛГ-78, ЛГ-75-1) и измерителей облученности- (ИСЫ,термостолбика Л. Н. Белла и пиранометра Ю. Д. Янишеьского).

Проростки выращивали в факторостагных условиях в темноте при 2511° С в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге. Для активации фитохрома использовали кратковременное (3-10 мин.) ниэ-коэнергетическое (плотность патока энергии 0,5-1 Вт/мг) облучение красным светом ( КС ) 650410 нм или 632,8 нм. Змтохромные эффекты КС снимали облучением растения дальним красным светом ( ДКС ) 720£ 5 им (5 мин. ,3-4 Вт/м2). В некоторых случаях для проверки фитох-рсмной обусловленности индуцированных ¡(С процессов использовали синий свет ( СС ) 45С£5 нм (Ь мин. , 1 Вт/»^).

Начальные этапы зеленения листьев изучали, регистрируя флуоресценцию хлорофилла. Нэтод позволял оценивать содержание хлорофилла, количество реакционных центров фотосистемы !1 к снимать световые кривые замедленной флуоресценции ( Веселовский, Веселова, 1983; Климов, 1988 ). Замедленную флуоресценцию ( ЗФ ) регистрировали на установке с фосфороскопом. Она имела такие технические данные: Бремя облучения образца-7 мс, время регистрации-18 мс, время между окончанием облучения н началом регистрации-3 мс. ЗФ возбу.гдали КС. Интенсивность света меняли с помощью нейтральных светофильтров. На индукционной кривой ЗФ замеряли величину начального пик£ (Р) и стационара (З).Длз определения количества РЦ 'К И листья предварительно замачивали в растворе диурона ( 10 МО. Индукцию быстрой флуоресценции ( ИБФ ) регистрировали на установке СКВ Пущино. На кривой ИБФ определяли величины и ^ , отношение К : К 11 площадь над кривыми , которая характеризует емкость пластохиноновых пулов ФС II (гапкег, Кок, 1972 ).

Флуоресценцию хлорофилла регистрировали как на интактиых листьях, так и на изолированных хлоропластах. №г получали по общепринятой методике выделения (Гавриленко и др. ,1975). Суспензию хлоропластов использовали тага® для регистрации фотоиндуцированно-го окисления цитохрома Г, находящегося в минимуме по отношению к

- б -

др. цитохромнш компонентам фотосинтетического электронного транспорта. Сотоиндуцирсванное уменьшение плотности суспензии хло-ропластов в области 554; 0,5 нм (полоса поглощения цитохрома г") исследовали на установке,состоящей из монохроматора МДР-3, кювет-ного отделения с верхним светом 65014 нм, индуцирушим электронный транспорт, детектора слабого светового сигнала СвУ-38 с последую-ас-ш усилением и регистрацией.

Содержание фотосинтетических пигментов определяли в эта-нольных экстрактах листьев спектрофотометрнчески (Гавриленко и др. ,1975). Содержание и фотохимические свойства фитохрома в растениях определяли на кафедре физико-химической биологии МГУ абсорб-ционно-флуоресцентными методами (Синещеков, Скнеоеков. 1967).

2.3. Мзрфологические и цитологические методы. Структуру уро-дач растений погекниы и посевные я урожайные качества семян анализировали по общепринятым методикам ГОСТ и рекомендациям в сб. "Опытное'дело в полеЕодстье" (сост. Никитенко.1982). Влияние фитохрома на органогенеа растений изучали посредством анализа морфологического и цитологического состояния стеблевых апексоя (Купер-ман,1969; Ростовцева,1976), Апексы наблюдали и промеряли с помощью микроскопа МБС-2 с окуляр-микрометром. Цитогистологические наблюдения шристем проводили на микротошых срезах.

Для изучения клеток под светоььш микроскопом материал фиксировали в смеси этанола и формалина (97: 3). Последующую обработку материала проводили по Паушеьой (1970). Ядра выявляли путем окрашивания срезов на гистоны О, амидочерным или 0,12 бромф?-ноловым синим Г 93. Ультраструктуру клеток изучали под электронным микроскопом Н-500 (Фирмы Хитачи). Материал фиксировали глюта-роЕым альдегидом с дофиксзцкей 2£ четырехокисъю осмия. После обезвоживания и заливки проб в смесь эпонов получали срезы на ультра-том* ЛКБ-В800.

2. 4. Биохимические и физиологические метода. Биохимическому анализу подвергали диофильнс высушенный материал. Б некоторых случаях брагш сырой материал (энзимологичэские анализы). Содержание азота и бедка определяли ко Кьельдала и Лоури. Дня аминокислотного анализа беи« материал очищали от/ свободных аминокислот по Андреевой' (1971). Затем пробы гндролизовали в западных ампулах в 6 н. растворе соляной-кислоты в течение 24 часоз при 130°С. После удаления кислоты и переноса образцов в буфер производили их полный аминокислотный анализ на автоматическом анализаторе ААА-881.

Гистоны'из проростков пшеницы выделяли через дегоксинукле-спротеид или методом прямой кислотной экстракции ( Ivai, 1964 ). Гистоны подвергали фракционированию на КМ-целлюлозе ( Johns et al, ,1964).химическому разделению (Johns,1954) и электрофоретическому фракционировании^Shepherd,Qurley, 1966). Лизинбогатые гистоны фракции Н 1 выделали посредством экстракции 5£-ным ТХУ по Bast in , Cole (1958) из гомогенатов биомассы, очищенной по Тукачинскому и др. (1971). Сушу нуклеиновых кислот определяли по Спирину (1958), а содержание FHK и ДНК по Шмидту-Тангаузеру (Нечаева, 1966). Проростки анализировали также на активность каталазы ( Акулова,Смолов, 1974), пероксидазы и кислой фосфатааы ( Ярош и др. ,197").

5. Методика статистической обработки и оценки достоверности результатов исследования. Достоверность результатов исследования обеспечивалась проведением опытов и анализов, как правило, в 5-6 и более повторностях и применением биометрических методов определения достоверности различий (Урбах, 1964; Урманцев,19б7). Различия считали истинными при уровнях значимости (Р) не более 0.05. Выявление и отбрасывание вариантов, не принадлежащих к исследуемой генеральной совокупности производили с использованием 7-критерия (Урмакцев,19G7). Статистическую обработку результатов полевых опытов и вычисление коэффициентов корреляции признаков проводили по Доспехову (1S68).

3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ И ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В 1971 г. странами-членами СЭВ было подписано соглашение по проблеме "Разработка теоретических основ селекции и семеноводства и новых методов создания высокоурожайных и высококачественных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур" и одновременно организован Координационный центр , функции которого взял на себя Всесоюзный селекционно-генетический институт. Автор диссертации на основании договоров о сотрудничестве между ИФР и ВСГИ включился в работу по этой проблеме, выбраЕ ее более узкий участок, а именно вопросы реализации потенциала продуктивности сортов пшеницы. Мотивом для Еыбора пшеницы как объекта работы явилась первостепенность ее экономического значения среди других культурных растений и достаточно высокая физиологическая обоснованность моделей ее сортов и разных сторон ее продукционного процесса С 13 ].

Общей платформой для сотрудничества ИФР и ВСГИ был обоюдный интерес к проблемам фотосинтетической продуктивности растений и к

теории их продукционного процесса ( ПП ). В растениеводстве под ПП обычно понимают совокупность физиологических изменений у растений в цикле онтогенеза от высеваемых семян до формирования зрелой, хозяйственно ценной части урожая. Но с позиций селекции и семеноводства такое понятие ПП не имеет полного, исчерпывающего содержания, так как уже на пути от сорта (генотипа) до высеваемого семени может наблюдаться значительная потеря потенциального урохая из-за недоброкачественности семян. Таким образом, объективно, существующий ПП включает в себя период реализации потенциала продуктивности сорта через экологию семян и сортовую агротехнику С 14 1. Экология семян рассматривает вопросы выращивания, хранения семян, подготовки их к посеву и реализации их урожайных свойств С 2 ]. В решении этих вопросов существуют диа альтернативных подхода агрохимический С 1(157), 2(268-271), 15,16,17] и агрофизический С 2(257-268), 18,19). При оценке перспектив исследования мы в своей работе затрагивали оба подхода. Но предпочтение было отдано агрофизике ввиду ее большего соответствия современной парадигме растениеводства-парадигме экологически безопасных и ресурсо- и энергосберегающих технологий. Среди агрофизических подходов к проблемам экологии семян нас заинтересовали перспективы использования света на начальных этапах выращивания растений [ СО 3.

В одной из первых работ в ВСГИ I 21 3 была показана возможность оптимизации роста проростков пшеницы кратковременным низкээ-нергетическим КС, полученным от ламп накаливания с применением интерференционных светофильтров ( ФКС ) или от расфокусированных лучей гелий-неонового лазера ( ЛКС ). Далее мы установили, что в этом действии СМСС и ЛКС отсуствует какая-либо специфичность, связанная с когерентностью лазерного света и оба типа излучений влияют через фитохромную систему растений I 1(218-220) ). Обнаружили также положительное действие кратковременного низкоэнергетического облучения ЛКС семян пшеницы на их качество, что связано, по-видимому, с активизацией этим светом фитохрома [ 22,23,1(218) 1.

Изучение роли зародыша и эндосперма в проявлении потенциальной продуктивности семян С 24-26 3 показало нам. что в ряде случаев опгимзльное физиологическое состояние зародыша не позволяет семени проявить высокие урожайные свойства- из-за определенных недостатков в выполненности эндосперма, в частности, из-за недостаточных запасов белка на биологическую единицу ( на одно или 1000 зерен ). Далее было установлено, что урожайные свойства семян пше-

ницы положительно коррелируют с их абсолютной массой и запасами белка на биологическую единицу t 5(189) ). Учитывая- полояи-едыше связи процессов фотосинтеза с азотным обменом и биосинтезом белка у растений ( Андреева,1969,1982 ), резонно было предположить, что, создав на фазах колошения-созревания пшеницы более благоприятные световые условия для фотосинтеза можно, по-видимому, усилить поступление азотистых веществ в зерновки и, таким обрззом, увеличить абсолютное содержание в них белка и косвенно повлиять на урожайные свойства семян. В опытах в условиях Одесского Фитотрона дали озимой пшенице сортов Мироновская 808 и Прибой в период колоше-ния-созревания разную продолжительность светового периода и действительно обнарудили, что растения при более длительных периодах фотосинтетической активности образуют семена с ' большим абсолютным содержанием белка С 1(235) ]. Оправдалось и наше предположение, что при этом дол>-кны существенно повыситься и урожай!! ыэ свойства семян ( табл.1 ). Аналогичное действие иг семена пшеницы оказало повышение интенсивности освесения с 20 до 30 тыс. лк I 5(192) ). В результате такого воздействия на фотосинтетическуя активность растений в период колошения-созревания урожайные свойства семян разных сортов озимой пиеницы повысились в среднем па 20 ( табл. 2 ). Представляет особый иитерес то обстоятельство,что факторы продолжительность и интенсивность освещения растений аддитивно влияют на формирование зерновок, приводя при совместном влиянии к еще больиему повышению урожайных свойств cei.«H t 1(236) 3. Аналогичные результаты получены нами тагае на тритикале С 27 3. Таким образом, была показана перспективность изучения агрофизических, фотобиологических и физиологических аспектов экологии семян пшеницы. Но для более углубленного и результативного злализа этих аспетов следовало попытаться оптимально обосновать м выбор конкретного Еопрсса ( темы ) дальнейшего исследования.

1!з широкого круга еопросое экологии семян пшеница наш з качестве темы для детального экспериментального изучения были выбраны фитохромзависимые процессы формирования проростков и их автот-рсфного развития. Основанием для выбора этой теш послужои три известных обстоятельства: высокая корреляционная зависимость между силой семян пшеницы, определенный по скорости роста ростков и корней проростков, и посевными и урожайными качествами семян t 2(74),1(208) 3; положительная связь между уровнем эндогенной оптимизации процессов формирования фотосинтетического аппарата про-

ростков и потенциалом продуктивности сортов пшеницы ( Николаева и др. ,1975 ) и. наконец, многосторонняя зависимость от фитохрома процессов формирования проростков у других высших растений. Для пояснения важности последнего обстоятельства и в заключение раздела дадим здесь краткие сведения из нашего обзора tilo том, что такое фитохром и какоЕЫ его функции.

Таблица 1.

Показатели качества семян озимой пеницы в зависимости от продолжительности дня в период колошения-созревания.

Показатели Сорт Мироновская SOS Сорт Прибой

Варианты фотопериода,часы 8 16 24 8 16 24

Сырой белок,г на 1000 семяи С,5 4,3 5,0 4,0 5,9 6.7

Полевая всхокасть семян,,"С 66 77 80 71 74 77

Урожайность В последействии, 375 411 423 414 519 582 г на кз.н

Таблица 2,

Влияние интенсивности осиешения разных сортов озимой пшениаи в период коловенкя-созревания на продуктивные свойства семян.

Сорт

Мнроновскля 808 Степняк Одесская 51 ООркй

Варианты освещения { в тыс. лк )

20 ( контроль ) SC

20 ( контроль ) 30

Урожайность в последействии г на га. и а к контролю 458 100,0

547 119,4

b¿Ü 615

472 585 548 675

100,0

117.1 100,0 123,9 100,0

123.2

антохромом ( Ф ) называют один из Фоторецепторов хромопротеид-ной природы, существующей в растениях в двух основных взаимопрев-ращакимхся формах- неактивной ( Ф-ббО ) и физиологически активной ( 0-730 ). Пигментная часть молекулы Ф представлена незамкнутыми порфиринами. В растениях Ф, по-видимому, находится в форме тетра-и гексамзров, состоящих из мономеров с мол. массой 42 ООО. Спектры действия регулируемых Ф процессов показывают, что активной является область 620-680 нм ( КС ), а для противодействия- 700-760 нм ( ЖС При зтом Ф-660, поглощая КС, превращается в Ф-730, а Ф-730, поглощая ДКС, переходит в Ф-ббО. Процессы, регулируемые Ф, зависят от ! юн цент рации Ф-730. Обычно фотореакции достигают насыщения, если 50S Ф представлено формой Ф-730 и продолжаются до тех пор, noica имеется достаточное количество Ф-730. В синий области спектра Ф-ббО и Ф-730 поглощаэт примерно с равной интенсивностью, вследствие чего из-за равенства скоростей прямой и обратной фэто-конверсии не происходит никакой физиологической реакции. Поэтому СС наряду с ДКС иногда используют для установления фитохромной зависимости Фоторегуляторных эффектов КС. Ф обнаружен у водорослей, мхов, папортников и семенных растений. Хранящиеся в темноте семена и темновые этиолированные проростки имеют в наличии неактивную форму Ф-660. При освещении появляется форма Ф-730 и индуцируются процессы, характер которых зависит от спектрального состава света и определяется уровнем Ф-730 и соотношением ф-730 : Ф-660.

Проблема действия Ф является медцисциплинарной. Она связана с развитием таких областей фундаментальных и прикладных знаний как агрофизика ( Мошков и др. ,1970 ), биофизика ( Гродзинский, 1972 ), фотобиология ( Конев,Еологовский,1974 ),в том числе лазерная ( Посудин,1989 ), биохимия ( Мельиичук и др. ,1969-, Гладун,1970 ), генетика, селекция и семеноводство ( Шульгин, 1968; Бирюков, Ба-бенко,1979; Сечияк и др. ,1983 ), агропочвозедение и фотосинтез ( Кефэли.1991 ) и экология ( Smith, 1975 ). Но первоначально эта проблема стала развиваться на основе достижений в области физиологии растений.

Ф был открыт в 50-х годах этого столетия и его свойства, метаболизм и функции длительное время изучались в связи с явлениями фотоморфогенеза, то есть в связи с ростовыми и формативными изменениями растений под влиянием света разного качества, интенсивности и продолжительности. За сороколетний период развития, фитохромной концепции фотоморфогенеза накопилась богатая информация,

указывается на то, что Ф является универсальным регулятором ашне-дгятельности, осуществляющим Функции связи организма с условиями окружающей среды и ■ функции структурно-биохимической оптимизации клеток и органов, то есть такие функции, без которых невозможно норм'дльное прохождение всей совокупности физиологических процессом, включая онтогенез. репродукцию и фотосинтетическую деятельность растений. Поэтому в настоящее время представляется логически оправданным и актуальным выделение физиологии действия фи-тохрома в самостоятельную область исследований наряду с такой общепризнанной область» знаний как учение о фитогормэнах и ингибиторах роста С 1(135-139,236-253) 3. Кратко суммируем имеющуюся в нашем обзоре С 1 3 информации о функциях С-730.

<1> обладает полифункционалыюстью морфофизиологического действия. Он регулирует деление, растяжение и дифференцировку клеток, биогенез пластид, митохондрий и микротелец, рост стеблей, листьев и репродуктивных органов. Ф осуществляет контроль подвижности растений на уровне организма ( тропизмы, настии ) и клеток ( движение протоплазмы, ориентация пластид ).

Ф полифуикцконалан б своем влиянии на ферменты, метаболизм и химический состав растений. Практически все жизненно важные звенья , клеточного обмена ( нуклеиновый, белковый, липидний и др. .) контролируется Ф. Его действие на метаболизм имеет широкую внутриклеточную локализацию, затрагивая Функциональную активность пластид, митохондрий, микротелец и рибосомальной системы. Биохимическая по-•лифункционалъность 2> является отражением его общего физиологического назначения служить регулятором донорно-акцепторных свойств органов и индуктором широких программ мобилизации и перераспределения веществ.

Ускоряя перераспределение веществ за счет стимуляции биосинтетических процессов в одних органах и процессов распада в других, 5> , оказывает общее оптимизирующее действие в онтогенезе растений, которое проявляется в регуляции прорастания семян, автотрофного и репродуютшного развития и старения листьев [ 28 3. Проявления оптимизирующего действия Ф после проработки его агрофизических аспектов могут' быть использованы в технологиях экологически чистого растениеводства С 1,29,30,31 3.

Таким образом, функции активной формы Ф отличаются большим разнообразием. Из этого круга функций при разработке темы мы выделили те , которые могли быть связаны с автотрофныы развитием

и продуктивностью растений пшеницы. Кроме того мы такке поставили перед собой задачу с позиций методологии целостного подхода дать, по-возможности, более интегрированные представления о действии Ф-730 на системы органов и клеток формирующегося проростка. Такие представления имеют Фундаментальное значение для понимания начальных этапов автотрофного развития высших растений, так как главная функция Ф в проростках- это индукция широкой программы структурно-функционального перехода молодого растения к самостоятельному существованию за счет процессов фотосинтеза [ 1(108-120,163-171) 3.

4. РАЗРАБОТКА ОРГАШЗМЕННЫХ АСПЕКТОВ действия ФИТОХРОМА НА АВГОТРОИЮЕ РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЯ ПШЕНИЦЫ.

Оитохромзависимые процессы автотрофного развития пшеницы изучали на выращенных в полной темноте этиолированных проростках. Ф у 2-х суточных проростков активировали однократным облучением КС. Для снятия фитохромзависимых эффектов КС применяли немедленное ( сразу вслед за КС ) облучение проростков ДКС. Для изучения закономерностей длительного последействия активации Ф в гетеротрофный период развития 2-суточные этиолированные проростки облучали КС 4-кратно с интервалами 6,18 и 6 ч. Через 48 ч после первого облучения проростки пересаживали в вегетационные сосуды и выращивали е контролируемых условиях фитотрона и вегетационных домиках. Кратковременные ( до 10 дней ) опыты при непрерывном освещении люминесцентными лампами (35 Вт/мг) проводили в бумажных горшочках на перлите, увлажненым раствором Кнопа Наличие в этиолированных проростках пшеницы фотоконвертируемых КС и ДКС форм фитохрома впервые установлено в работах Коррелла с сотр. ( СоггеП е1 а1. ,1968 ) и подтверждено нами совместно с & А. Синещековым и В. Ф. Василенко адсорбционно-флуоресцентными методами на кафедре физико-химической биологии МГУ,

Первые опыты по изучению эффектов КС проводили на уровне гетерогенных популяций этиолированных проростков. Установлено, что через 48 ч после облучения КС в популяции 4-суточных проростков резко ( в 20-25 раз ) увеличивается число случаев выхода первого листа, в 7-8 раз возрастает число случаев отрицательного геотропизма ростков, но уменьшается общая длина ростков за счет торможения роста колеоптилей. Популяционные эффекты КС варьировали в записи-

мости от видовой и сортовой специфики С 1(223,224) 3 и возраста этиолированных проростков I 1(132) ]. Перечисленные популяционные эффекты КС частично снимались последующи освещением ДКС, что указывает на их фитохромную природу. При построении кривых распределения популяционных признаков впервые обнаружено,что фотоактивация Ф приводит к снижению вариабельности биометрических показателей популяции проростков, например, длины колеоптиля ( рис. .1 ).

Рис. 1. Влияние КС на статистическое распределение длин первого листа и колеоптиля в популяции 5-суточньк проростков пшеницы сорта Белорусская 80.

150

I 100

№

12 3

1 2 б

1 2 В

1 2 Г

1 - Контроль

2 - КС

3 - КС г ДКС

а - Первый лист б - Корневая система в - Колеоптиль г - Стеблевой апекс

Рис. 2. Средняя длина ( высота ) органов в популяции 5-суточиых проростков пшеницы сорта Альбидум 43 с разным состоянием фитохрома.

При изучении аффектов КС на уровне гетерогенных популяций этио-

лированных проростков пшеницы наш впервые ( в опытах 1972-73 гг ) установлено стимулирующее действие; i-730 на рост корней. Под влиянием облучения КС увеличилась обкая длина и сырой и сухой вес корневой системы проростков. Эффекты КС на рост корней снимались ДКС. Идентичное действие на рост корней этиолированных проростков наряду с ФКС оказывал и ЛКС. Но при облучении 2КС и JKC зеленых проростков пшеницы стимуляции роста корней не обнаружено ( 1(219) З.Нами тага® впервые установлено положительное действие ФКС на рост корней этиолированных проростков гречихи и индукция ЛКС ризо-геигга в культуре каллюсов тритикале, растущих на cpe/je без 2,4 Л С К 221)].

В результате многолетней работы с популяциями этиолированных проростков пшеницы разной сортовой принадлежности и изучения обратимых ДКС эффектов КС нами было достоверно установлено, что морфологическое действие С-730 органсспецифично. Активация фитохрома КС приводит у этих проростков к стимуляции роста первого листа и корневой системы, ингибированию роста колеоптиля,но т оказывает ( видимого на уровне световой микроскопии ) действия на рост стьбле-зых апексоз ( рис. 2 ).

Обнаружен эффект длительного последействия фотоактивации © » период гетеротрофного развития пшеницы па последующий рост зеленых проростков и растений. Показано.что такая фотоактивация приводит к общей оптимизации процессов ооста и развития рутений. У предварительно облученньс; КС растений наблюдается ускорение разворачивания первых листьев, стимуляции роста первых и Еторых зеленых листьев и длительное сохранение на протяжении периода вегетативного развития большей длины листьев С 1(175) 3. У такпх растений наблюдалась также тенденция к ускорению ( ь среднем на 2 -3 дкя ) колошения и цветения. Более интенсивный рост органов пшеницы отразился затем на качестве семян: увеличилась индивидуальная масса се«ян £ 1(276)3 н некоторые элементы их силы роста ( табл. 3 ).

Изучение биохимических аспектов действия Ф показало, что фотоактивация этого рецептора приводит в органа:: этиолированных проростков пшеницы к существенным изменениям содержания сухого вещества, воды, белков и нуклеиновых кислот I 1(82,90,92,), 32, 33 3. При этом действие Ф>-730 было разнонаправленным и оргакоспецифич-ннм.что отражает наличие разных метаОолитичеасих программ, индуцированных активацией Ф. После облучения проростков КС в первом листе и корневой системе усиливались акцепторные фушаши, а е ко-

леоптиле и эндосперме, наоборот, донорные. Установлено, что изменения донорно-акцепторных свойств происходит в интервале 15-24 ч после фотоактивации•© у проростков ( рис. 3 ).

Таблица 3.

Сила роста семян пшеницы сорта Альбидум 43 в первом поколении после фотоактивации фитохрома в гетеротрофный период онтогенеза

Биометрические показатели 4-суточных этиолированных проростков

Контроль-без облучения ( Мип )

Активация Достовер-фитохрома КС кость

( Мгт )

различий, X

Длина, мм:

первого диета колеоптиля корневой системы Сырая масса одного проростка без зерновки, мг Всхожесть,I

11812,1 99* 2.0 254111,0

11412,7

1261 2,5 1091 2,2 29819,6

1261 2,8

>95 >99 >95

>95

« о

О 15 24 40 72

Колеоптилъ

,,__а Контроль

«-о да

О 1524 48 72

Время после облучения, ч

Ркс.З. Изменение сухой массы органов у проростков пшеницы сорта Альбидум 43 в процессе их роста после активации фитохрома КС.

Из биофизических характеристик действия Ф-730 нами была изучена временная организация фитохромзависимой Фоторегуляции формирования фотосинтетической функции у этиолированных проростков пшеницы. Установлено, что индуцированное предварительным облучением КС возрастание значений величин индукционных и световых кривых замедленной флуоресценции в листьях без обработки и с обработкой диуро-ном начинается уже через 30 мин, с момента освещения проростков непрерывным белым светом ( БС ), а еще через 90 мин. эти величины превышают в 2 раза контрольные ( у проростков без облучения КС ). Из этих данных можно предположить, что Ф-730 значительно сокращает лаг-фазу в накоплении фотосинтетических пигментов и усиливает процессы образования компонентов фотосистемы II ( хлорофилла а све-тособирающего комплекса и реакционных центров ). Опережение процессов зеленения и формирования фотосинтетического аппарата на БС у проростков пшеницы с предварительной активацией ф было продолжительным. Разница в пользу варианта КС наблюдалась через 24 и даже через и даже через 48 часов после включения БС < рис. 4 ). Из рис. 4 такие видно, что эффекты КС на формирование фотосинтетического аппарата ( в частности, на увеличение размеров пластохинонового пула 4С И ) несомненно фитохромзависимые. Они четко снимались ДКС. На интактных листьях и на изолированных хлоропластах из листьев растений разного возраста нами было показано, что фотосинтетический аппарат у проростков с предварительно активированной фитохромной системой достаточно длительно ( в течение нескольких суток ) сохраняет более высокий по сравнению с контролем уровень своего развития ( рис. 5 и б ).

При рассмотрении биохимических аспектов фотоиндукции автотроф-ного развития пшеницы нами показано, что активация фитохрома КС увеличивает активность каталазы в первом листе в среднем на 501. Но действие КС на активность каталазы было органоспецифично. Об этом свидетельствуют наши данные фотоиндуцированного снижения активности фермента в эндосперме в среднем на 352 при одновременном повышении активности этого фермента в первом листе [ 1 (73,74) ].

Органоспецифический ответ обнаружен нами и при изучении действия КС на активность пероксидааы. Показано, что КС увеличивает активность пероксидазы в ростках (первый лист вместе с колеоп-тилем) и в корешках проростков, но не изменяет и даже немного снижает активность этого фермента в эндосперме.

Установлено положительное влияние КС на активность кислой

фосфатази. Этот эффект тш'ла имел признаки органоспецифичности: после облучения КС активность фермента в ростках увеличивалась почти в 2 раза, в корешках только в 1,5 раза, а в эндосперме фотоактивация кислой фосфатазы была еще слабее С 1(78) ).

Таблица 4

Активность пероксидазы в разных органах 6-суточных проростков озимой пшеницы сорта !,!ироновская 808 после 4-кратного 5-минутного облучения КС, мкмоль гваякола, окисленного в 1 мин на 1 г сырой массы

Органы Контроль без Облучение КС ОпытД к контролю

облучения (Mi in) (Mim;

FOCTKM 898 i 0

Корешки И 65 i 8

Эндосперм 6921 4

10901 7 121

1341 I 16 115

665I 7 96

Таблица 5

Аминокислотный состав суммарного белка в ростках 4-суточных этиолированных проростков пшеницы сорта Альбидум 43 после облучения КС

Аминогаюлоти

Содержание (М i m) аминокислот, молярные л

контроль- облучение баз облучения КС

Достоверность различий. X

Лизин 3,6: 0,14 4,8¿ 0,19 > 99,9

Гистидии 1,9t 0,08 2,4t 0,21 >95

Аргинин 2.8S 0,09 3,3£ 0,15 >95

Асяарагшювая кислота 38,3t 0,65 32,01 0,43 >99,9

Треонин 4,7 i 0,26 4, Vi 0,22 -

Серии 5,9 i 0,11 5, St 0,36 <95

Глгогаминовая кислота 8,0 i- 0,11 8,91 0,16 5 99

Пролин 3,4 ¿' 0,30 4,61 0,14 >99

Глицин 6,44 0,15 6,9i 0,21 <95

Алании 8,4 i 0,22 9,2 ± 0,17 >95

Продолжение таблицы 5.

Балин 4, О -г , U — 0,13 4,91 0, 03 <95

Метионин 0: .Sí 0.05 0,91 0, 02 С 95

Изолейцин О ,5: 0.07 2,61 0, 21 С 95

Лейцин 4 .6 г 0,20 5,21 0, 19 >95

Тирозин 3 ,41 0,05 1,41 0, 10 -

Фенилалакин О к, .21 0,21 2,41 0, 27 ¿95

Сумма основных аминокислот S 0,40 10,51 0, 52 >99

Суммз кислых и нейтральных 91 + > ' "" 0,40 89,51 0, 52 >99

аминокислот

Вопрос о действии Ф на содержание связанных аминокислот, несмотря на его важность для решения аадачи светового регулирования качества продуцируемой биомассы проростков (например, в технологиях производства кормов ), наименее разработан. Наше исследование, по-видимому, было первым в этом направлении. Изучали влияние фотоактивации Ф на изменение аминокислотного состава суммарных белков у проростков пшеницы. Результаты работы даны в табл. 5.

Обнаружено,что облучение проростков КС приводит к увеличений в белке ростков содержание лизина, пролина и аланияа. Оно повышает такта содержание гистидина, аргинина, глютаминовой кислоты и лейцина, но уменьшает содержание аспарагиноЕой кислоты. Кроме того в белках ростков под влиянием КС существенно возрастает общее содержание основных аминокислот, но снижается содержание кислш и нейтральных аминокислот.

Увеличение под действием КС содержание связанного лизина установлено нами так в первом листе, так и в колеоптиле пшеницы С 1(9?,93)3. Для объяснения этого явления мы сделали предположение, что обогащение суммарного белю проросткоЕ пшеницы основными аминокислотами и , частности, лизином можт бить результатом влияния Ф на содержание гисгонов, белков клеточного ядра с полмкатионныни свойствам. Это предположение явилось началом цикла специальных работ, посвяшенннх клеточным аспектам действия Ф-730 С 34-33. 3.

С,50

0,25

С <}, ФС ИЗ Огн. ед.

43 ч ЕС

24 Ч ЕС

Г*

№

12 3 12 3 1 - Контроль 2 - НС 3 - КС + ДКС -3

¿В* 10

Рис.4, размеры пула 0,<10 II в в перЕых листьях проросткоь пшеницы сорта Белорусская 80 с разным состянием фитохрома в

темповой период роста через 24 и 4В час. с начала зеленения на свету.

Рис. 5. Уровень цитохрома Г в изолированных хлоропластах из первых листьев проростков пше-

___._,_,_ницы сорта Альбидум 43 с разным

5 6 7 о состоянем фитохрома в темновой

Возраст растений, сутки период Р°ста через 1-3 суТ0К

с начала зеленения на свету.

?___* Контроль

•-о КС

ЗФ { от я. ед. )

у---х Контроль

о-р да

5 6 7 8 Возраст растений, сутки Рис.6. Токе, что и на рис.5,но на оси ординат уровень замедленной флуоресценции хлорофилла в опытах без диурона.

5. РАЗРАБОТКА КЛЕТОЧНЫХ АСПЕКТОВ ДЕЙСТВИЯ КГГОХРОМА ¡¡А АВТ0ТР01-НОЕ РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЯ ПШЕНИЦЫ

Вопрос, который им поставил» в начале изучения гистонов, был чисто методический. Дело в тон, что вывод о сугубо ядерной локализации гистонов сделан в свое гремя на основании цитохимического и биохимического анализа клеток животных ( Гофштейи,15?1 ). Использование же стандартного цитохимического теста на гистоны ( окраска зеленым прочным ) показала возможность присутствия гистонов в цитоплазме растительных клеток. Чтобы опровергнуть или доказать эту возможность, мы использовали другие красители ( амидочерный, бром-феноловый синий ), применение которых убедило нас, что и в случае растений гистоны еледугт считать маркерными белками клеточных ядер (9 3.

Затем нами на примере этиолированных проростков пшеницы Альби-дун 43 было изучено действие атаиг.ации фитохрома КС на содержание гистонов 1 1(99-107), 39-45 3. Первый этап работы состоял в выяснении наличия или отсутствия различий во фракционном составе суммарных препаратов г$одонсз, выделенных из проростков облученных и необлучэпных КС через дезоксириОокуклеопротеид по методу К. Иван. Чистоту и однородность полученных препаратов контролировали сияти-ен инфракрасных спектров на спектрофотометре №-10. Показано, что инфракрасные спектры препаратов гистопсв из сблученых и необлучен-них ростков идентичны шэд собой и идентичны спектру стандартного препарата иэ тш.тусэ теленка. Однако аминокислотный анализ показал, что КС увеличивает в гистоаах ростков сумму основных аминокислот и отношение лизина к аргинину С 1(100) 3,

Резонно било предположить, что увеличение отноиенил лизина к аргинину обусловлено ксие ионием Фракционного состава гистонов. Дан проверки предположения проводили дополнительные анализы. Сравнение гистонов кз облученных и необдучзиньос ростков по соотновенк» кис лих и нейтральных акинокяслот не выявило еув^ственных различил С 1(101) 3. Но химическое фракциСшироЕание по методу Б. Дзюнса показало, что КС увеличивает содержание лизинбогатих гистонов И 1 к уменьшает содержадие фракции Н 2а ( тсОл. 6 ). фракционирование на КМ-целлшозе та;кс- показало, что КС повша»? относительное 'содержание гистонов Н 1 Г 1(101) 3. Мч предположили, что изменения

состава ДШ-гистонов обусловлено влиянием КС на накопление гисто-нов Н 1 в ростках. -Проведены слоты, которые показали, что КС действительно вызывает усиление накопления гистонов 1! 1 в ростках. Наконец, !<ы установили, что действие- КС на содержание лнзинбогатых гистонов обращается ДКС, то есть связано с функционированием ( табл. 7).

Таблица 6.

Содержание основных фракций гистонов от суммы) при сравнительной характеристике гистоновых препаратов иг облученных и необ-лученкых проростков пшзиицу сорта дльбидум -13.

Фракции гистолог

Контроль без облучения ( мг ш )

Облучение КС ( ¡.^ и )

Достоверность различия, 7.

II 1

Н 2а + Н 3 + И 4 Н 2

20,92 0,32 39,1 * 0,41 40,0? 0,38

25,7 г. 0,54 39,7- 0,77 34,61 0,71

>90,9 ¿-95 >99,9

Таблица 7.

Содержание ( Ь!1га ) гистонов в ростках проростков пшеницы сорта Лльбидум 43 после снятия ДКС действии КС, 7. к контролю.

Вариант облучения Сумма гистонов Гистоны фракции II 1

КС 12514,0 161*5,0

КС + ДКС 1131 2,2 1231 3,3

Достоверность ре ворсин, % >95 >99

Такт.! образом, были получены доказательства изменений содержания гистонов при учостаи Ф-730. Но возникал вопрос- не сопровождаются ли- оти изменения появлением качественно новых фракций или структурными изыенэниями п;стоиов. Для ответа на этот вопрос пре-пероти тотальных гистонов г: фракции Н 1 подвергались злегагрофор&гу в поди&крклг&йздкои голе, а для питсное Н 1 кроне того снимались

инфракрасные спектры адсорбции. Суммарные гистоны делились электрофорезом на 7 фракция с КГ 0,30; 0,35; 0,43: 0.4В; 0,55; 0.65 и 0,68, но не обнаружено появления новых фракций или изменения Rf в результате облучения проростков КС или КС + ДКС . Фракция Н 1 оказалась электрофоретииески однородной ( [?Г- 0,41 ) и различий в зависимости от состояния Ф не было обнаружено. Сравнение инфракрасных спектров гистонов Н 1 показало, что облучение проростков КС или КС + ДКС не приводит к качественным изменениям этих спектров С 1(10« 3.

Изучали влияние состояния Ф на аминокислотный состав гистонов К 1. Показано, что гисгоны Н 1 из облученных и необлученных КС ростков имеют повышенное содержание аланина Г 1(105) 3. Srro характерно я для гистонов Н 1 животного происхождения ( Буи, 1967 ). Но достоверных различий з соотношении кислых и нейтральных аминокислот в лиаинбогатых гистонах ростков с активной и неактивной формой Ф мы не обнаружили. Не било различий между вариантами и по содержанию основных аминокислот з гистонах н 1.

Таким образом, очевидно, что Ф-730 контролирует количество и соотношение разных типов гистонов в этиолированных лроростглх пшеницы, не изменяя качественного состава и свойств лизинбогатнх гистонов. Зизиологичеекое значение атого явления noica не ясно. Может быть увеличение содержания гистонов Н 1 при участии Ф-730 связано с усилением образования меристематическнх клеток в первых листьях и ингибированием растяжения клеток коло опт иле й. Мы установили, что мерпстематические клетки проростков пшеницн имеют более высокое относительное содержание гистонов Н 1, чем клетки s фазе растякения или зрелые клетки ( рис. 7 ). Поэтому увеличение при участии ф-730 содержании лизинбогатых гистонов в проростках пшеницы тивт отражать оСауо направленность их фотоморфсгенеза в сторону обогащения тканей функционально более молодили клетками за счет аэтнйации деятельное™ иитеркаляртк мористей первого листа и тор-юления растяжная глоток колеоптиля.

Нами била изучена временная и пространстве иная организация действия ф-730 ча гистоны !! 1. Устаношкжо, что изменения содерга-ния этих белков возникают др- сразу после облучепия проростков КС, а а интервале 12-?4 ч ( рис. С ). Показано уаюз, чго полс:л1тельнсе действие !5С на содержание гяетокоо Н i лжаюгеогано как в■нервом листе, VI;}: *л в колесит»ле, хс-тн вклад кэлеоптндоЯ в проявление зф-

- 24 -

фекта в ростках менее значителен С 1(106,107) 3. Н 1.

£5. 20 15 10 5

% от сумз,ы гкстоноа

Рис. 7. Изменение содержания гистсное фракции Н 1 в процессе роста клеток коле-оптилей пшеницы сорта Альбидум. 43. <Хсяи роста клеток: а-меристематические клетки; б-начало фазы растяжения; в-коне-ц фазы растямения; г-эрелые клетки.

10-

а б в г И I, X О'! суыми гисгонов

КС

Рис. 8. Динамика изменения со-дариания гистоноь фракции И 1 в ростках пшеницы сорта /ш,би-дум 43 после облучения КС.

О 6 1£ 24

Часы щкии облучения КС

100

Д. с» СО

о;

а £0

о 40

е-о 20

1 - Контроль

2 - ;;с

а - кс-1-дкс

14 - »7,0 м;сы

О ядер: 0 - 9,0 ыка 10 - 13,9 «".ал Рис. 9. Изменение глличгства ядер разного диаметра (г, % от суммы) в клетках кончиков первых листьев проростков нжэници Альбидум 43 при шшташи 'фитохроиа КС.

Нами таюяе впервые были начаты исследования участия <>-730 в химической модификации гистонов. Показано, что при активации фи-тохрома КС в очищенных от ГНК препаратах гистонов из проростков пшеницы содержание фосфора увеличивается в среднем на 203: И (46)]. Возможно, что фитохроызависимое повышение уровня фссфорилированности гистонов имеет отношение к механизмам регуляции экспрессии генов.

Микроскопическое исследование теологических аспектов проблемы такие показало, что активация фитохрока КС приводит, очевидно, в результате интегральной оптимизации процессов биогенеза к увеличению количества более крупных органелл з популяции пдер, пластид и мттохондрий е зрелых клетках кончика первого ляста проростков пве-ниш С 1(114,170), 47 Наряду со стимул:',рукцэм влиянием па рост органелл КС также оказьшал пологаггелыюэ действие на ыембраногенез пластид и митохондрий, способствуя большей упорядоченности уль-траструктурн мембран. В действии КС на размеры ядер и величины ядерно-плазменного отношения обнаружена органоспецкфячность. Сти-муляциоиний эффект КС присутствовал в клетках интеркалярной меристемы первого листа, но отсустзовал в клетглх };еристемы стеблевого апекса ( табл. 8 ). Эффекты КС на еидкмыэ размеры органелл четгю снимались ДКС ( рис.9 ).

Таблица 8.

Объем ядер и ядерно-плазменное отношение в меристематических и растущих ¡слетках 4-суточных этиолирозаякьк проростков пшеницы сорта Альбидум 43 после фотоак-тивадаи фитохрсиа крвсньгм светом.

Показатели

Контроль без облучения ( М1 ГП )

Облучение КС ( Мгт )

Достоверность разница, X

Объем ядер. куб. ккм Ядерно-плазменное отношение

Объем ядер, куб. мкн Ядерно- плаз ¡¿энное отноиепке

Объем ядер, куб. мчч

Клетки интеркалярной меристем

3351 15,3 637 179,1 ? 99

0,23Ю,38 0,72Ю,141 >ВЭ

Клетки мерксте?.« конуса нарсстания

5311 22,6 473'- 33,7. ' ¿95

0,111 0,015 0,1010,023 С 95

Клетки средне?! честя кядеептшш

210 1 28,3 187111,1 <С5

б. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ ИМИТАТОРОВ ДЕЙСТВИЯ ФИТОХРОМА НА АВТОТРОЖОЕ РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ

Для современного этапа совершенствования технология растениеводства характерна смена парадигмы химической на парадигму интег-ратиЕНО-многофакторных экологизированных биотехнологий. ( Кученко, Урсол, 1983 ). Эта смена парадигм вызвана не только неблагоприятными экологическими последствиями тотальной химизации сельского хозяйства, но и многосторонним внедрением в научно-техническое мышление методологии целостного и системного подхода ( Сетров, 1971 ). Эту методологию мы взяли на вооружение и в своей работе. Ее отражением является более широкое понимание междисциплинарных границ теории продукционного процесса с включением в эту теорию проблем экологии семян С 1(150-236) Эта методология отразилась и на выборе нами основного объекта исследования. Мы считаем, что фронт фундаментальных агрофизических и физиологических исследований трех наиболее важных в практическом отношении звеньев онтогенеза культурных растений ( семена,проростки и зрелые растения ) должен быть сбалансирован за счет расширения и углубления изучения проросткового периода формирования растительных организмов. Той «е методологии мы придерживаемся и при сценке значения физических, химических и биологических факторов продукционного процесса.

Тактика решения конкретных технологических вадач растениеводства, очевидно, должна быть достаточно гибкой и учитывать возможности взаимной заменяемости различных факторов на основе скрытых вероятностей имитирования действия одних факторов другими. Но наиболее оптимальным решением технологических вопросов нам представляется использование сочетания физико-химико-биологических факторов воздействия на растительный организм, следствием которого _ может быть более полная реализация потенциала его продуктивности к устойчивости С 1(139-161) 3. Указанные, соображения и послужили теоретической основой для постановки нами проблемы химических имитаторов действия фитохрома на автотрофное развитие пшеницы.

В литературе описано большое количество фактов, свидетельствующих об имитации эндогенными фитогормонами ( ауксинами, гибберил-линами, цитокишмами, абсцизовой кислотой и этиленом ) отдельных фитохромэазисимах процессов формирования проростков разных расте1-

Ш!П t H 35-41) 3. Однако ни один из перечисленных фитогормонов не оказался способным имитировать достаточно широкий спектр реакций Ф-730. Литературный поиск химических имитаторов более широкого спектра действия привел нас к группе синтетических регуляторов роста растений под общим названием "ретарданты". Их общей особенностью в действии на взрослое зеленое растение является опособность вызывать укорачивание стебля, расширение пластинок листьев, усиление роста корневой системы и повышение накопления хлорофилла в фотосинтез ируших органах растений ( Гамбург, Кулаева, Муромцев и др. , 1379 ). Это обстоятельство послужило нам основанием для выд-вижния гипотезы о возможной имитации ряда фитохромзависимых процессов у проростков пшеницы регуляторами роста ретардантного типа. Для экспериментальной проверки гипотезы были выбраны два ретарданта- ингибитор биосинтеза гиббереллшгав ( хлорхолинхлорид или ССС ) и этиленпродуцент ( 2-хлорэтилфосфоновая кислота или ХЭФК ). Представляло интерес выявить общие закономерности их действия несмотря на специфику механизмов ретардантной активности каждого веиества.

В опытах применяли кристаллический ССС производства ГИПХ ( Ленинград ) с содержанием д. в. до Q7,5X и американский препарат "эт-ре.ч" с содержанием д. в. ХЭФК до 39.6Z. Схема опытое была следу»-шэй. Семена яровой пшеницы сорта Белорусская 80 замачивал!! в воде или водных растворах ретардантов в течение 2 ч и проращивали в темноте при £5 С. Использовали экспериментально подобранные оптимальные концентрации ССС ( 1% ) и ХЗ-ТК С 0,17. ). Условия фотофиги-ологических опытов были такими яэ как и рэяее. Варианты опита: 1-контроль ( без обработки ), 2-СБетовой контроль (облучение проростков ТС ), 3-обработка ССС, 4-о<5рабатка ХЭФК, 5-обработ!СЗ ССС с последуюэдм воздействием на проростки КС, б-обработка ХЭФК с последующ«.» облучением КС. Через 5 суток после замачивания семян проростки выставлялись из термостата { из темноты ) на свет и измерялись их биометрические параметры. Еыли получены кривые статистического распределения длин первого листа и колеоптилл. Кривые свидетельствовали о том, что подобно КС ретарданты способны сникать вариабельность биометрических параметров популяции проросткоз i 6 Особенно значительное снижение вариабельности этих параметров наблюдалось ъ вариантах совместного действия ССС и КС к ЗСЗФХ и

Подобно КС ретарданты также способствовали ускорению выхода первого листа из кзлеоптиля. Например, в одном из типичных опытов в популяции из сорока 5-суточных проростков число случаев выхода первого листа было для темнового контроля- 7, для варианта КС- 17, ССС- 12, ХЭФК- 24, ССС + КС- 22 И ХЭФК + КС - 29 С б 1. Здесь такте наибольший-эффект давало сочетание ретардантов с активацией фи-тохрома КС. Аналогичная закономерность морфогенетического действия факторов проявлялась и на примере наростания массы корней проростков. Ретарданты подобно КС стимулировали рост корней I 8, 11 ]. И тут также преимущество было у сочетания факторов ( ССС + КС и ХЭФК + КС ).

Спектрофотометрические определения содержания фотосинтетических пигментов в первом листе проростков после их суточного освещения ВС показали имитацию ретардантами стимулирующего действия КС на образование хлорофилла ( табл.9 ). Наибольшая эф>-фективность была характерна для комплекса факторов ( КС + синтетический регулятор ). В этих случаях содержание пигментов возрастало в 2-3 раза по сравнению с контролем [ 7,11 3.

Таблица 9

Содержание пигментов в первом листе проростков пшеницы сорта Белорусская 80 после 24 ч освещения их белым светом (мг/лист. 10'4 ).

Вариант Хлорофилл а Хлорофилл в Каротиноиды

Контроль 450 110 140

КС 492 129 140

ССС 776 195 216

ХЭФК 804 394 164

ССС+КС 1026 360 239

ХЭФК+КС 1132 375 292

Таково в общих чертах морфогенетическое действие ССС и ХЭФК. Оно в целом имитирует действие активированного КС фитохрома. А при сложении факторов наблюдается аддитивное, а в ряде случаев синэр-гическое взаимодействие. Но возникает вопрос участвует ли фитох-ромная система какиы либо образом в реализации эффектов ССС и ХЭФК. Чтобы ответить на него, мы семена, обработанные ретарданта-

ми, проращивали ь темноте, а после КС сразу давали ДКС или синий свет С СС ). После перестановки проростков из темноты на БС оценивали реакцию первого листа- его выход из колеоптиля. Он составлял: в контроле-38:42, в варианте контроль + KC-5&t72, контроль + КС + ДКС-28^152, ХЗЖ ■+ KC-63tl02, ХЭФК + КС + ДКС- 34« 152, ССС + КС-9СЙ-17. И ССС + КС + ДКС- 88 t 47..

Аналогичные закономерности получены' нами при анализе количества развернувшихся первых листьев и длины второго листа у недельных проростков. Синей же сЕет в опытах оказался не эффективным и варианты ретардант + СС и ретардант + КС + ДКС по своему морфогенети-ческому действию были идентичны. Из опытов иы сделали два вывода. Ео-первых, о фитохромной природе взаимодействия комплекса факторов "ретардант + КС" и , во-вторых, о том, что ССС может выступать как модификатор регулируемых Ф-730 процессов роста. Действительно, в контроле опыта ( без обработки семян ретардантами ) и в варианте с ХЭФК наблюдалась количественная обратимость ДКС эффектов КС. Однако в случае, когда облучению КС предшествовало влияние ССС, эффект КС как бы усиливался, но при этом исчезала его фотообратимось ДКС.

Ряд интересных фактов, также свидетельствующих об имэтирухщем {[►-730 действии ретардантов получен нами при использовании ряда биофизических методов. Например, было установлено С 48 ], что ретарданты как и КС С 1(169) ) способны снимать лаг-фазу в синтезе хлорофилла проростками пшеницы на непрерывном белом свету. Стимулирующее действие ССС и ХЭФК на этот процесс было более выражено по сравнению с КС. А комплекс факторов наиболее эффективно влиял на синтез хлорофилла.

Далее, используя методику регистрации быстрой флуоресценции, мы определяли скорость формирования фотосинтетического аппарата в первом листе. Через 1, 2 и 6 суток после перестановки проростков из темноты на ЕС регистрировали индукционные кривые флуоресценции листа и рассчитывали плоизди, ограниченные этими кривыми. Величины этих площадей характеризовали емкость пластохиноново-го пула Q фотосистемы П. Было установлено положительное действие комплекса факторов ССС + КС ка размеры пула Ç SC II, но на фоне обработки семян ССС ( как и s случае ростовых реакций ) отсутствовала обратимость ДКС эффектов КС Г 49 ).

Изучали также влияние КС и ретардантов на становление компонентов электронтранспортной цепи фотосинтеза, используя для этого методику регистрации замедленной флуоресценции. Известно, что уро-

вень ЗФ е присутствии диурона при насыщающей фотосинтез интенсивности возбуждающего света не зависит от электронного транспорта и пропорционален концентрации первичного акцептора, а значит количеству реакционных центров <ХС II ( Веселовский, Вэселова, 1983 ).

На рис. 10 показаны зависимости от освещенности ЗФ листьев шести вариантов опыта через 2 ч после их облучения ЕС в присутствии диурона ( световые кривые послесвечения ). При этом уровень ЗФ, а следовательно и количества РЦ ОС II, уже на начальных этапах веленения (2ч) значительно варьировал. ЗФ в вариантах КС, ССС и хэак + КС превышала контроль соответственно в 2,5; 1,9 и 1,2 раза, что, однако, значительно ниже, чем в варианте ССС + КС (в 6,6 раза выше, чем ь контроле ). То есть было показано, что комплекс факторов ССС + КС для формирования РЦ £С 11 является наиболее благоприятным С 7, 48 ].

100 ЗФ.огк.ед.

Рис. 10. Интенсивность замедленной флуоресценции первого листа проростков пшешшы сорта Белорусская 80 в зависимости от освещения через 2 ч после начала зеленения ( фиксация листьев диуроном ). 1- контроль; 2- КС;- 3- ССС: 4- X?ÏK; 5- ССС + КС; 6- ХЗФК + КС.

6 12 18 24 30 клк Таков был характер световых кривых ЗФ в присутствии диурона спустя 2 ч йопле включения ЕС. Еще через 22 ч характер этих кривых изменился ( рис.11 ). Из рис.11 мы видим, что наибольшее количество РЦ сс 11 в листьях проростков не только ва-

рианта ССС + КС, ко и варианта ХЭХК + КС. Промежуточное положение по уровню ЗФ с диуроном занимают варианты КС и ССС, а ЗФ ь варианте ХЭФК близка к контролю.

На рис. 12 даны световые кривые ЗФ без диурона, снятые через 2 ч после включения ЕС. Они в целом являются отражением влияния факторов на накопление хлорофилла. Показано, что все варианты фитох-ромзависимах изменений в процессах биосинтеза пигментов ( варианты

- за -

КС. и, особенно, ССС + КС и ХЭФК + КС ) благоприятно сказываются на накоплении хлорофилла.

Рис. 11. Токе, что и на рис. 10, но чёрез 24 ч после начала зеленения.

75 50 25

6 12 18 24 30 клк отн. ед.

Рис.12. Тоне, что и на рнс. 10, но бег фиксации листьев диуроном.

б 12 18 24 30 клк

С практической точки зрения интересен вопрос о длительности последействия на проростки ретардантов и КС. Для ответа на него стаЕилг.съ вегетационные опыты и анализировались параметры продуктивности пшеницы сорта Белорусская 80. Было установлено, что применение комплекса факторов ( ССС + КСи лЭФК + КС ) способствует увеличению массы 1000 семян С 50 3. -Таким образом, было показано, что идея сочетания стимулирующего влияния на проростки Ф-730 и ретардантов мэлгт представлять определенный технологический интерес и нуждается в дополнительной экспериментальной проработке.

- 32 -

■7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, попользованная нами для изучения отдельных сторон проблемы реализации потенциала продуктивности пшеницы методология целостного междисциплинарного подхода позволила найти ряд оригинальных решений актуальных в настоящее время вопросов. Во-первых, в рамках новой концепции продукционного процесса "физиологической экологии семян пшеницы" t 5 3, развивающейся на стыке проблем агрофизики ( в первую очередь агрофотофизики ), фитофизиологии, экологии семян и других областей знаний, нам удалось предложить и разработать оригинальное научное направление, касающееся роли фитохрома в автотрофном развитии пшеницы. Впервые среднее звено в цепи трех наиболее практически важных авеньев онтогенеза культурных растений, а именно проростки, стало предметом междисциплинарного изучения и в первую очередь с позиций физиологии действия фитохрома [11. Наряду с обнаружением новых возможностей светового ."управления" качеством посевного материала путем воздействия светом непосредственно на материнские растения в фазу ко-лсшения-созревания [ 1, 2) , были иницированы и исследования возможностей использования света для оптимизации физиологического состояния проростков. Далее, впервые в работах по физиологии действия фитохрома проросток пшеницы был рассмотрен как система отдельных органов ( первый лист, колеоптиль, эндосперм, корни и стеблевой апекс ) и обнаружена органоспецифичность в действии кратковременного низкоэнергетического КС. Кроме того, установлено существенное значение для последующего онтогенеза растений стимуляции светом физиологического состояния проростков в гетеротрофный период их развития.

Учитывая важное значение в экспрессии генов гистонов, определяют« структуру хроматина, мы на основе анализа литературных данных .выдвинули гипотезу о пяти наиболее вероятных направлениях регуляции активности генов через фитохром и гисгоны [1, 37 3. Это следующие направления: метаболизм биорегуляторов типа аскорбиновой, кислоты, транспорт катионов и органических анионов, метаболизм и транспорт кислых белков ядра, химическая модификация гистонов ( фосфорилирование ) и изменение содержания и соотношения-разных типов гистонов. В нашей книге " Роль фитохрома в растениях " дан обзор литературных данных, указывающих на вероятность первых четырех направлений взаимодействия Ф-730 и гистонов. Что касается пятого

направления, то оно гак указывалось ранее, было предметом нашего экспериментального исследования, особенно в отношении лизинбогатих гнстонов фракции 13 1. Следует отметить, что каш интерес к значению этих гнстонов хорошо согласуется с результатами работ сотрудников кафедры биохимии и биофизики Калифорнийского университета в США ( иопг е1 а1. ,1989 ). Ими было установлено, что сопря*.енная с фитох-ромом протеинкиназная активность стимулируется гистонами Н 1 и эта стимуляция усиливает фосфорилирование самих лизиибогатых гистонов. Таким образом, обнаруженные нами процессы фитохромзависимого накопления гистонов Н 1 как факторов стимуляции активности протеин-киназ, возможно, имеют существенное молекулярно-биологическое значение. Эти процессы могут быть составной частью универсальных механизмов быстрой и множественной регуляции разнообразных ферментативных систем через протеинкиназы. И далее указанные процессы могут включаться в механизмы регуляции функционального состояния клеточного ядра и хроматина через фосфорилирование входящих в эти структуры белков.

Выдвинутая нами гипотеза возможного сходства в действии на проростки Ф-730 и ретардантов экспериментально подтвердилась. Обнаружено явление имитации ретардантами ССС и ХЭФК некоторых функций фитохрома в регуляции автотрофного развития проростков. Впервые нами было описано явление аддитивности и синергизма при совместном действии Ф-730 и этих веществ [ 7,8,48-50 ].

Перечисленные результаты работы определяют некоторые дальнейшие перспективы ее продолжения, касакжщеся стыковки агрофизических и агрохимических подходов к проблеме реализации потенциала продуктивности и устойчивости растений пшэницы. Во-пергых, представляется интересным вернуться к вопросам повышения качества посевного материала путем воздействия светом на семена и растения в период колошения-согревания и проверить эффективность сочетания световых и химических факторов. Во-вторых, представляется важным начать целенаправленный поиск и скрининг химических имитаторов действия Ф-730 на автотрсфисе развитие проростков для обнаружения новых и может быть более эффективных по указанному свойству веществ и препаратов. Что касается продолжния фундаментальных исследований, то наиболее перспективным, по нашему мнению, мокет оказаться изучение возможных механизмов сходства физиологического действия ретардантов и Ф-730. За основу такой работы на первых ее этапах можно было бы взять представления о механизмах действия фитохрома С 1(35-65)3.

В заключение подытожим в форме развернутых выводов то основное новое, что удалось внести в результате данного исследования различных путей и способов воздействия на рост, развитие и продуктивность растений пшеницы.

1. Предложена и частично разработана оригинальная научная концепция в теории реализации потенциальной продуктивности растений "физиологическая экология семян пвенииы", предусматривающая, е частности, исследование значения света и фотобиологических процессов в механизмах формирования и реализации потенциала продуктивности семян указанной культуры на разных этапах ее онтогенеза.

В подтверждение перспективности развития этой концепции в контролируемых условиях фитотрона получены принципиально новые экспериментальные доказательства возможности значительного ( на 20-40 и более 1 ) повышения продуктивных свойств семян интенсивных сортов озимой пшеницы за счет оптимизации светового режима выращивания материнских растений в период колошения-созревания. Установлено также участие света в процессах формирования силы семян в физиологического состояния проростков у разных сортов пшеницы.

Детальное экспериментальное изучение влияния светового фактора на ранних этапах онтогенеза растений привело к разработке нового научного направления в физиологической экологии семян пшеницы, касающегося функционального значения фитохрома в автотрофном рг13-витии этой культуры.

2. Установлено явление органоьпецкфичности ь действии кратковременного низкоэнергетического красного света как активатора фитохрома на формирование морфологической структуры и физиолого-биохимических свойств этиолированных проростков пшеницы и показано длительное стимулирующее последействие активации фитохрома в гетеротрофный период развития растений.

Это утверждение основано, в частности, на следующих впервые наш! экспериментально установленных закономерностях:

а) Проростки пшеницы представляют собой систему связанных до-норко-акцепторными отношениями органов , функциональные свойства и ростовые характеристики которых в разных направлениях изменяются после активации фитохрома КС. В первом листе после облучения проростков КС усиливаются акцепторные функции и имеет место стимуляция роста органа. • Аналогично реагирует на фотоактивацию Ф и корневая система. Метаболизм «е колеоптиля при этом перестраивается с программы накопления ведеств из эндосперма на их отдачу и на тор-

моление роста. Под влиянием КС усиливается доноркые функции эндосперма. Есе эти изменения происходят в интервале от 15 до 24 ч с момента активации Ф красным светом и соответствующим образом отражаются на морфологических, цитологических и биохимических ( в том числе энзнмологических ) характеристиках органов. В тоже время в гетеротрофный период развития растений не обнаруживаются какие-либо морфологические и цитологические различия в стеблевых конусах нарастания у проростков с разнил состоянием фитохрома. •

б)Фотоактивация Ф имеег положительное последействие на популяцию проростков, в которой снижается вариабельность признаков: в частности, в результате усиления реакции отрицательного геотропизма выравнивается пространственная ориентация проростков, а в результате торможения роста колеоптилей снижается вариабельность этих органов по длине.

в) Фзтоактивация Ф достаточно длительно ( в течение 2- 3 н более суток ) оказывает стимулирующее влияние на формирование, активность и уровень отдельных компонентов фотосистемы [I фотосинтеза, в частности, на размеры пула акцептора 0 к уровень цитохроиа Г в электрон-транспортной цепи.

г) Фотоактивацня О в гетеротрофный период онтогенеза положительно отражается на росте и размерах листьев в период вегетативного развития пшеницы.

д) По-видимому, как следствие разносторонней стимуляции автот-рофной Функции у материнских растений пяеиицы в результате фотоактивации Ф улучшается некоторые показатели качества-образуем!.« ими семян, в частности, увеличивается индивидуальная касса секши и их сила роста. То есть общее стимулиругсэе влияние фотоактивации фитохрома е гетеротрофный период развития пшенипу способно переходить даже границы онтогенеза катгркпскюс растений.

3. Обнаружено значительное влияние фотоазстивации фитохрома на кариолсгпческие характеристики клэтек проростков пшеницы и на содержание и соотношение разных типов гистоков, что указывает на участие меточных ядер ( ъзрлду с пластидами и митохондриями ) в фатохрошависш.2Л2 процесса-.; эвтотрофясго развития растений.

Этот вывод базируется ка следующих япервие нами экспериментально установленных закономерностях:

а) Сатоактиззция <0 значительно нэменяе? в клетках кончиков пера1К листьев ¡отечество ядер разного дяамэзра Резко уигиыгаетез количество мелких ядер с дкаыетрсм 6 - 8,9 ».эт. Тгкхэ резко еоэ-

растает число крупных ядер с диаметром 10 - 13 мкм. И только ь клетках с активной формой фитохрома присутствуют "гигантские" ядра с диаметром до 17,9 мкм. Аналогичное влияние Ф-730 оказывает и на размеры пластид и митохондрий, что свидетельствует об интегратив-ном действии этого рецептора на биогенез клеточных органоидов.

б) Активная форма фитохрома увеличивает размеры ядер и величины ядерно-плазменного отношения в интеркалярных меристемах первых листьев ( подготовка клеток к пролиферации ), но эти показатели не изменяются в результате фотоактивации Ф в меристематических клетках стеблевого конуса нарастания этиолированных проростков.

в) Ф-730 увеличивает в ростках пшеницы относительное и абсолютное содержание лизинбогатых гистонов фракции H 1, определявших структуру хромзтина клеток.

г) Действие активной Форш фитохрома на содержание гистонов H 1 проявляется в интервале 18 - 24 ч после облучения проростков КС и локализовано как в первом листе, так и в колеоптиле. Такая локализация "гистоновых" эффектов, очевидно, связана в случае листа с усилением фитохромом процессов клеточного деления, а в случае ко-леоптиля с торможением роста клеток растяжением.

д) Фотоактивация Ф сопровождается усилением процессов фосфори-лирования тотальных гистонов, которое может являться одним из вероятных путей регуляции активности генов через фнтохром и гистоны.

4. Установлено явление имитации синтетическими регуляторами роста ретардантного типа ( хлорхолинхлоридом и г-хлорэтилфссфпно-вой кислотой ) некоторых функций фитохрома е регуляции автотрофно-го развития проростков пиеницы и, таким образом, показана перспективность целенаправленного поиска и скрининга химических имитаторов действия указанного фоторецептора.

В подтверждение этого вывода нами впервые экспериментально установлены следующие факты и закономерности:

а) Несмотря на различия в механизмах ретардантного действия i ССС тормозит синтез гиббереллинов, а ХЭФК является зтилеипродуцен-том ) оба синтетических регулятора при обработке их растворами семян пшеницы способны аналогичным образом имитировать целый ряд фн-тохромзависимых процессов аЕЮтрофного развития проростков. Например, они оба усиливают рост первых и последующих листьев и корневой системы, уменьшает, вариабельность популяции проросткоЕ по длине колеоптилей, снимают лаг-фазу в синтезе хлорофилла на непрерывном белом свету и стимулируют формирование фотосинтетического ал-

парата.

0) В положительном действии указанных синтетических ретардантов на формирование.фотосинтетического аппарата у пшеницы имеются некоторые различия. Хлорхолинхлорид, например, стимулирует главным образом формирование реакционных центров фотосистемы II, а 2-хло-рзтилфосфоновая кислота - синтез хлорофиллов светосОорщиков.

5. Установлено явление аддитивности и синергизма в совместном действии синтетических регуляторов и фитохрома на автотрофное и дальнейшее развитие пшеницы и, таким образом, показана перспективность исследований на стыке проблем фоторецепторной и гормональной регуляции жизнедеятельности растений для разработки поколения новых более эффективных сельскохогяйствнных биотехнологий.

Это утверждение доказывается, например, следующими впервые установленными нами закономерностями:

а) КС совместно с ХЭ1К и ССС аддитивно действует стимулирующе на рост первого листа и корневой системы и на процессы накопления на непрерывном белом свету хлорофилла а, хлорофилла 0 и каротинои-дов.

б) КС в сочетании с ретардантами способен оказывать на некоторые параметры продуктивности пиеницы длительное синергическое последействие и, в частности, увеличивать массу 1000 семян.

а) Гетарданты могут в отдельных случаях модифицировать фитох-ромзависимые процессы. Например, хлорхолинхлорид способен препятствовать обратимости дальним красным светом некоторых эВДектов КС на морфогенез и автотрофное развитие пшеницы.

6. На основании полученных результатов выдвинута концепция целесообразности сочетания химических и световых факторов регуляции жизнедеятельности растений для более полной реализации потенциала их продуктивности и улучшения качества семи.

7. Полученные в диссертационной работе результаты имеют разнообразное прикладное значение. Они используются в педагогической практике при чтении спецкурсов в сельскохозяйственных вузах и университетах, применяется в работе ряда научно-исследовательских учреждений, а также служат основой е работе по совершенствованию агробиотехнологии семеноводства и технологий получения зеленых кормов из проростков зерновых культур С 51 ].

- 38 -8. ОБЩИЕ ВЫВОДУ

Общие выводы из проделанной работы можно сформулировать в Еиде следующих основных положений, выдвигаемых.на защиту:

1. В рамках концепции "физиологическая экология семян пшеницы", развивающейся в настоящее время на стыке проблем агрофизики, прикладной фитофизиологии и частной экологии семян предложено и разработано новое научное направление, касающееся функционального значения фитохрома в автотрофном развитии указанной сельскохозяйственной культуры.

2. Обнаружено явление органоспецифичностк в действии кратковременного низкоэнергетического красного света на формирование морфологической структуры и фиаиолого-биохимических свойств этиолированных проростков пшеницы и показано длительное стимулирующее последействие фотоактивации фитохрома в гетеротрофный период развития растений.

3. Показано значительное влияние фотоактивации фитохрома на ка-риологические характеристики клеток проростков пшеницы и на содержание И соотношение разных типов гистонов, что указывает на участие клеточных ядер ( наряду с пластидами ) в процессах автотрофного развития растений.

4. Обнаружено явление имитации синтетическими регуляторами роста ретардантного типа ( хлорхолинхлоридом и 2-хлорэтилфосфоно-вой кислотой ) некоторых функций фитохрома в регуляции автотрофного развития проростков пшеницы и, таким образом, показана перспективность целенаправленного поиска и скрининга химических имитаторов действия указанного фоторецептора.

5. Обнаружено явление аддитивности и синергизма в совместном действии химических регуляторов и фитохрома на автотрофное развитие проростков пшеницы и, таким образом, показана перспективность исследований на стыке проблем фоторецепторной и гормональной регуляции жизнедеятельности растений для разработки поколения новых более эффективных сельскохозяйственных биотехнологий.

9. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Кузнецов Е. Д. , Сечняк Л К .Киндрук Я А. .Слюсаренко О. К. Роль фитохрома в растениях,М- .Агропромиздат, 1985,288 с.

2. Сечняк Л. К , Киндрук Н. А. , Слюсаренко О. К. , Иващенко В. Г. , Кузнецов Е. Д. Экология семян пшеницы,II изд-во Колос,1981,1983,349 с.

3. Сечняк Л. К., Кузнецов Е. Д., Киндрук Н. А. , Слюсаренко 0.1С Проблема светового управления качеством семян и некоторые новые экспериментальные подходы к ее исследованию-В сб: Вопросы селекции, к генетики зерновых культур. М., Секретариат СЭВ, 1983, с. 425-436.

4. Сечняк Л К.,Кузнецов Е. Д. .Киндрук а А. .Слюсаренко О. К Сото-биологический аспект проблемы повышения продуктивности озимой пшеницы-Доклады ВАСШ1Л,1934,К9,с. 5-6.

5. Sechnyak L.К. .Kuznetsov Е. D. .Kindruk N. А. . Slyusarenko O.K. Son« problems of physiological ecology of wheat seed - Seed set and techr.ol. ,1988, 16, p.187-196.

6. Василенко R Ф. .Кузнецов E. Д. Физиологические основы и экологические аспекты использования комплекса химической и световой регуляции роста и продуктивности растений - Вестник сельскохозяйственной науки, 1990, И 7, с. 63-68.

7. Kuznetsov Е. D. , Vasilenko V. F. , Kreslavsky V. D. Stimulation effects of short-term red light and plant growth retardants on greening and for nation on photosynthetic apparatus in wheat seedlings - Plant Phisiol. Biochem. , 1992,30,5, p. 559-564.

8. Кузнецов E. Д. , Василенко В. Ф. Имитация хлорхолинхлоридом и 2-хлорэтилфосфонэвой кислотой низкознергетических реакций фотоморфогенеза' проростков пяэницы-Сб.: Второй съезд Всесоюзного общества физиологов растений. Тезисы докладов. И часть,Н ,1992, с. 113.

9. Иванова 3. П. , Кузнецов Е. Д. Цитохимическое выявление гистонов в растительных клетках с применением разных красителей - Физиология растений, 1974, т. 21, N 1, с. 53-55

10. Сечняк Л К. , Кузнецов Е. Д. , Киндрук Е А. , Слюсаренко О. К , Колесник Т.Н. Сеэт ¡так фактор оптимизации семян пшеницы - Науч-но-техничесгап! бюллетень ВСГИ, 1983, М 2 (48), с. 6-10.

И. Василенко В. Ф. , Кузнецов Е. Д. Действие красного света, хлорхолинхлорнда и зтрела на рост и зеленение проростков пшеницы -

- 40 -

Доклады ВАСХНИЛ. 1990, N 7, с. 6-9.

12. Сечняк Л. К. , Киндрук К А., Кузнецов Е. Д. , Слюсаренко О. К., Брединекий А. А. Влияние адаптации озимой пшеницы к условиям богары и орошения на качество семян и реализацию их потенциальной продуктивности. - В сб.: Физиолого-Сиохимические механизмы регуляции адаптивных реакция растений и агрофитоценозов. Кишинев: Штиинца, 1984, с. 72.

13. Прусакова Л. Д. , Кузнецов Е. Д. Рецензия на книгу В. А. Кума-кова "Физиологическое обоснование моделей сортов пшеницы -Сельскохозяйственная биология", 1987, N 9, с. 123-124.

14. Сечняк Л. К., Кузнецов Е. Д. , Киндрук Н. А., Слюсаренко 0. К. Экология семян и ее место в теории продукционного процесса пшеница В сб.: Цути развития современного семеноводства зерновых культур. Одесса, ВСГИ, 1086, с. 15-19.

■15. Кузнецов Е.Д. Химическая регуляция продуктивности растений-Весткик сельскохозяйственной науки, 1988, N 12, с. 149-151.

16. Кузнецов Е. Д., Кириллина Е И., Прусакова Л. Д. Влияние гид-рела и мочевины на содержание воды и азота при созревании яровой пшеницы - В сб.: "Восьмой Всесоюзный симпозиум по водному рекиму растений" (Тезисы докладов), Ташкент, ФАН, 1984, с. 38.

17. Сечняк Л К., Кузнецов Е. Д. , Прусакова Л Д., Слюсаренко О. К. , Киндрук 11 А. Влияние сеникаиии на качество семян озимой пшеницы - Агрохимия, 1988, Н 6, с.110-115.

18. Сечняк Л. К. , Кузнецов Е. Д., Киндрук Н. А., Слюсаренко О. К. Физиологические основы оптимизации продукционного процесса пшеницы с позиций экологического семеноведения - Тезисы республиканской конференции "йнзиологические основы повышения продуктивности и устойчивости зерновых культур", Целиноград, 1984, с. 73-74.

10. Кузнецов Е. Д., Станко С. А. Третья Всесоюзная конференция по .фотоэнергетике растений - Физиология растений, 1975, т. 22, N 5, с. 1094-1095.

20. Сечняк Л. К, Кузнецов Е. Д., Киндрук Н. А. , Слюсаренко О. К., Станко С. А. , Симоненко В. К Перспективы использования световой энергии в семеноводстве - В сб.: Фотоэнергетика растений. Алма-Ата, 1978, с. 168-170.

21. Сечняк Л. К , Киндрук Е АГ, Кузнецов Е. Д., Слюсаренко О. К. Стимулирующее действие красного света на семена и проростки пшеницы - Доклады ВАСХНИЛ, 1979, N 5, с.' 5-7.

- 4122. Сечняк JL К., Кузнецов Е. Д., Киндрук R А., Слюсаренко О. К., Брединский А. А. Улучшение качества семян зерновых культур путем фотостимуляции - Тезисы шестой Всесоюзной конференции по фотоэнергетики растений. Львов, 1980, с. 104.

23. Сечняк JL К., Киндрук Н. & , Слюсаренко О. К. , Кузнецов Е. Д. Проблема светового управления качеством семян и некоторые новые экспериментальные подходы к ее исследованию - В сб. : • Теория и практика предпосевной обработки семян, Киев, изд-ео ¡Сйсного отделения ВАСХНИЛ, 1984, С. 90-97. •

24. Киндрук R А., Сечняк Л. К , Кузнецов Е. Д, Слюсаренко О. К., Лукьянюк С. Ф., Игнатова С. А. О значении зародыша и эндосперма в адаптивных изменениях силы и качества семян пшеницы - В сб.: Физи-олого-биохимические механизмы регуляции адаптивных реакций растений и агрофитоценозов. Кишинев: ПЁгиинца, 1984, с. 161-162.

25. Сечняк Л. К , Киндрук Н. А., Слюсаренко О. К., Лукьянюк С. Ф., Игнатова С. А. , Кузнецов Е. Д. Роль зародыша и эндосперма в механизмах экологической разнокачественности семян озимой пшеницы - Научно-технический бюллетень ВСГИ, 1987, N 1 (63), с. 9-14.

26. Киндрук Н. А., Сечняк Л. К , Слюсаренко О. К., Кузнецов Е. Д. О роли зародыша и эндосперма в проявлении потенциальной продуктивности семян. В сб.: Qualitatssaatgut - Production urid Ertragsbeeinflussuna:. Band l. Halle (Saale) .1988, s. 165-177.

27. Сечняк JL К , Кузнецов E. Д, Киндрук H. A., Слюсаренко О. К , Симоненко R К. Свет как фактор оптимизации семян пшеницы и тритикале - Тезисы УП Всесоюзной конференции по фотоэнергетики растений, Львов, 1984, с. 128.

28. Кузнецов Е. Д., Клслякова Т. Е., Монахова О. Ф., Тукузова Д.А. Низкоэнергетическая фоторегуляция старения листьев и. ее таксономическое распространение. В сб.: Фотоэнергетика растений. Алма-Ата, 1978, с. 118-119.

29. Кузнецов Е. Д., Иванова 3. R , Шахов А. А. Фитохромзависимая фоторегуляция, ее механизмы и значение для светового управления растениями - Научные труды Каз.СХИ, 1978, т. 21, N 5, с. 21-42.

30. Кузнецов Е. Д , Шахов А. А. Регуляторное действие фитохрома и вопросы светового управления растением - В сб. : Фотоэнергетика растений Алма-Ата, 1978, с. 108-110.

31. Кузнецов Е.Д., Шахов А.А. Фитохромная концепция эндогенных мехонизмов адаптации и вопросы светового управления растением - В

сб.: Адаптация и рекомбиногенеэ у культурных растений, Кишинев, из-во Щгмиица, 1379, с. 8-3-83.

32. Кузнецов Е. Д., Вахов А. А. О низкоэнергетической фстостиму-ляцга; биосинтеза белка у растений - Электронная обработка материалов, Кишинев, изд-во АН Молд.ССР, 1974, N 4(58), С. 66-68.

33. Кузнецов Е. Д., Иванова 3. П. , Тукузова Д. А., Иахов А. А. Фи-тохромзависимая фоторегуляция накопления белка в этиолированных проростках пшеницы - В сб.: Фотоэнергетика растений,' Алма-Ата, 1978, с. 115-116.

34. Шахов А.А., Кузнецов Е. Д. Ядерно-цитоплазматические взаимоотношения в процессах фотоморфогенеза и мутагенеза - в кн.: Повышение урожайности 1сонцентрированным светом, М, изд-во Колос, 1972, с. 266-273.

35. Шахов А. А. , Кузнецов Е. Д. , Роль клеточного ядра г фотоморфогенезе хлоропластов - В кн.: Генетические функции органоидов цитоплазмы, М. , из-во Наука, 1974, с. 34-40.

36. Кузнецов Е. Д. , Симоненко В. К. , Шахов А. А. Действие монохроматического красного света па клеточные процессы в листьях - Тезисы VI Всесоюзной конференции по фотоэнергетики растений, Львов, 1980, с. 67-68.

37. Кузнецов Е. Д. Молекулярно-генетическис аспекты регулятор-ного действия фитохрома - В сб.-. Молекулярная к прикладная биофизика сельско-хозяйственных растений и применение новейших фхзи-ко-технических методов в сельском хозяйстве, Кишинев, 1977, с. 11-12.

38. Кузнецов Е. Д., Шахов А. А. О регуляторном действии света на генетический аппарат высших растений - В сб.: Биофизика растений, Краснодар, 1974, с. 79-80.

39. Кузнецов Е. X . Шахов А. А. Стимуляция красным светом образования лизинбс; сных белков в проростках пшеницы - Научные труды Каз. Алма-Ата, 1975, т. 18, вып. 1, с. 80-87.

40. Кузнецов Е. Д., Шахов А. А. Об изменении гистонового комплекса проростков пшеницы после их облучения красным светом - Доклады Первой Всесоюзной Научно-технической конференции по возобновляемым источникам энергии. 11: Энергия, 1972, вып. 3, с. 197-200.

41. Шахов А. А., Кузнецов Е.Д Об изменении содержания гистонов при стимуляции биосинтеза красным светом - Электронная обработка материалов, Кишинев, из-во АН Молд. ССР, 1972, N3(45).

42. Кузнецов Е. Д. , Шахов А. А. Оотоиндуцированное изменение

гистоновых белков у этиолированных проростков пшеницы - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Фоторегуляция метаболизма и морфогенеза растений", М. , ИФР АН СССР, 1974, с. 40.

43. Кузнецов Е. Д. , Шахов А. А. Регуляторное действие сзета на генетический аппарат растений - В сб.: Проблемы фотоэнергетики растений, Кишинев: Штиинца, 1974, вып. 1, с. 95-101.

44. Кузнецов Е. Д. , Шахов Л. А. О биохимической фотодифференциации клеточного ядра и ее связях с метаболизмом растений - В сб.: Проблемы фотоэнергетики растений, Алма-Ата, 1974, вып. 2, с.59-61.

45. Кузнецов Е. Д., Шахов А. А. Изменение гистонов при участии фмтохрома - В сб.: Тезисы докладов XII Мэхдународ но г о ботанического конгресса, Л Наука, 1975, с. 332.

46. Кузнецов Е. Д., Иванова 3. П. , ¡¡йхов А. А. Фоторегуляция содержания лизинбогатых гистонов при участии фитохрома - Рефераты докладов и сообщений N б XI Менделеевского съезда по обп^ей и прикладной химии. Секция Биохимия, 14: Наука, 1975, с. 63.

47. Кузнецов Е. Д. , Сечняк Л. К-, Киндрук Н. А. , Симоненко Е 1С , Слюсаренко О. К. , Пащенко Е Н. . Бондаренко Я ?. Кратковременный красный свет ¡ик фактор оптимизации автотрофноЯ функции у проростков пшеницы - Научно-технический бюллетень ВСГИ, 1984, Н 2(52), с. 15- 20.

48. Василенко В. Ф. , Кузнецов Е. Д. , Беседовский а А. , Веселова Т. Е Ускорение формирования фотосинтетического аппарата у проростков пшеницы кратковременным красным светом и синтетическими регуляторами роста ретпрдалтного действия - Физиология и биохимия культурных растений. 1991, N 2, с. 107-111.

49. Василенко Е Ф. , Креславский Е Д. , Кузнецов Я. Д. Хлорхо-линхлорид как модификатор ряда регулируемых фитохроком процессов роста и фотосинтеза - Доклады АН СССР, 1991, т. 316, г? 6, с. 1512-1514.

50. Василенко В Ф., Кузнецов Е. Д., Колесник Т. II Ретарданту и ¡фасный свет в регуляции продукционного процесса пшеницы - Доклады ВАСХНИЛ, 1991, N 12, с. 2-4.

51. Василенко Е Ф., Кузнецов Е. Д., Миляев В. А. Ноеыэ области биотехнологического бизнеса-Вестник Российской академии наук, 1992, N 12, с. 50-56.

Информация о работе

Кузнецов, Евгений Дмитриевич
доктора биологических наук
Санкт-Петербург, 1993
ВАК 06.01.03

Автореферат

Похожие работы