Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физиологические механизмы солеустойчиовсти двух видов растений рода Nigella и некоторые характеристики качества их сырья

ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Физиологические механизмы солеустойчиовсти двух видов растений рода Nigella и некоторые характеристики качества их сырья"

На правах рукописи

ГОГУЭ ДессуОбед

Физиологические механизмы солеустойчивости двух видов растений рода Г^еИа и некоторые характеристики качества их

сырья

Специальность: 03.01.05 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертация на соискание ученой ст епени кандидата биологических наук

2 7 НОЯ 2014

Москва - 2014

005555803

005555803

Работа выполнена на кафедре ботаники, физиологии растений и агробиотехнологий ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

Научный руководитель: Холодова Валентина Павловна

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории физиологических и молекулярных механизмов адаптации ФГБУН «Институт физиологии растений имени К.А. Тимирязева» РАН. Научный консультант: Вандышев Виктор Василевич

кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры ботаники, физиологии растений и агробиотехнологии ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

Официальные оппоненты: Хрянин Виктор Николаевич

доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники, физиологии и биохимии ФГБОУ ВПО Пензенского государственного университета Назаренко Людмила Владимировна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии, экологии и методов обучения биологии ГБОУ ВПО «Московский городской педагогический университет» Ведущая организация: ФГБУН Главный ботанический сад им. Н.В Цицина

Защита диссертации состоится « 26 » декабря 2014 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.08 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г.Москва, ул. Прянишникова, д.15, гел./факс:8(499)977-13-38, dissovel@timacad.i4i.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, и на сайте университета: 1Шр:/Ау\у\¥.11тасас1.ги.

Автореферат разослан « » ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета С.Л. Белопухов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди неблагоприятных для растений факторов одним из самых распространенных является засоление. По данным продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), более 20% мировых посевных площадей и половина орошаемых земель подвержены солевому стрессу. Во влажных районах преобладает хлоридное засоление, в том числе и в Кот д 'Ивуаре (Morel R., Raoult В., 1979). Засоление является одним из основных стрессоров, лимитирующих рост и продуктивность растений. Засоление связано главным образом с повышенным содержанием натрия в почве. Высокая концентрация солей в почвах не только затрудняет поступление воды, но может даже нарушать структуру почвы, снижая ее пористость и ухудшая водопоглотительные свойства.

Ценная сельскохозяйственная и лекарственная культура чернушка (Nigella L.) культивируется в полуаридных и влажных районах мира. Однако в областях их природного произрастания и при культивировании нередки засоленные почвы. Важной практической задачей является выяснение влияния засоления на показатели роста, накопления биомассы, физиологические особенности действия засоления, механизмы солеустойчивости и некоторые характеристики сырья растений чернушки.

Избыточное поступление солей в клегки растений при засолении сдвигает ионный баланс, нарушает структуру и функции макромолекул, инициирует избыточный синтез активных форм кислорода (АФК). Помимо прямого токсичного действия, засоление вызывает у растений осмотический стресс, обусловленный резким падением водного потенциала корпеобитаемой среды

растения (Кузнецов, Шевякова, 1999). В ответ на нарушение баланса неорганических ионов и водного статуса в растении наблюдается увеличение накопления в растениях низкомолекулярных органических аптиоксштатов. К подобным метаболитам относятся пролин, а также вещества фенольной природы, такие как низкомолекулярные растворимые фенольиые соединения (Blochina, 2003, Радюкииа и др., 2007, 2008). Вклад пролина и фенольных соединений в защитные реакции гликофитов от действия засоления изучен далеко недостаточно. Для изучения участия антиоксидантной системы в устойчивости растений к засолению необходимо проводить комплексные исследования процесса воздействия соли, а также оценить возможность их восстановления при снижении уровня засоления в природных условиях (в период дождей).

Выбор в качестве объектов исследования сельскохозяйственной и лекарственной культуры Nigella saliva L. (чернушка посевная) обусловлен важностью этого вида для сельского хозяйства Кот д 'Ивуара. Для сравнения был привлечен растущий в сходных условиях вид Nigella damascena (чернушка дамасская). Исследование влияния засоления, особенностей ответных реакций растений, некоторых механизмов их солеустойчивости, а также характеристики сырья двух видов чернушки Nigella sativa и N. damascena при воздействии засоления позволят получить новые фундаментальные знания об адаптации растений и откроет перспективу для разработки технологий выращивания растений чернушки на полях, мало пригодных для других сельскохозяйственных культур.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлось изучение в сравнительном аспекте морфометрических, физиологических и биохимических особенностей двух видов растений рода чернушка - Nigella

damascem и N. sativa для оценки характера и степени воздействия хлоридного засоления разной интенсивности на эти растения.

Для решения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить специфику токсического действия NaCI на растения двух видов чернушки - Nigella damascena и N. sativa - с целью выявления основных морфометрических, физиологических и биохимических ответных реакций и оценки относительной солеустойчивости изучаемых видов в условиях гидропоники.

2. Оценить степень устойчивости растений N. damascena и N. sativa к действию NaCI разной интенсивности при выращивании в почвенной культуре.

3. Выявить основные физиологические изменения в вегетативной биомассе каждого вида растений во время восстановления после действия засоления разной интенсивности в гидропонике и в почвенной культуре.

4. Выявить влияние засоления на содержание и состав липидной фракции листьев и корней растений изучаемых видов Nigella, на особенности их плодов и семян, относительный уровень групп БАВ и экстрактивных веществ в вегетативной массе и на содержание липидов в семенах.

Научная новизна. В настоящей работе впервые показано, что растения Nigella damascena и N. sativa способны расти до созревания семян при невысокой или умеренной концентрации NaCI как в гидропонике, гак и в почвенной культуре. Плоды, выросшие при засолении, имели сниженную массу, уменьшенное число семян и пониженную массу семени. Обнаружена также фракция 4х- и даже 5и-гранных семян. При засолении снижалось

содержание изученных групп БАВ - фенольных соединений, полисахаридов, сапонинов, флавоноидов, экстрактивных веществ в побегах N. damciscena и N. sativa, а также липидной фракции в семенах растений этих видов.

Установлена более высокая устойчивость N. damascena при выращивании в почве, гибель растений которой при высоком засолении происходила на 10 дней позже, чем N. sativa. При удалении NaCl из среды (водной или почвы) растения N. damascena и N. sativa проявили способность к восстановлению после засоления при всех испытанных концентрациях NaCl, за исключением растений N. sativa, погибавших после сильного засоления (150 мМ NaCl). Более высокий репарационный потенциал N. damascena, проявившийся в повышенной стабильности состава жирных кислот, массы семян, массы и доли в них липидной фракции, позволяет рекомендовать выращивать растения N. damascena в хозяйственных целях на умеренно засоленных почвах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные вносят существенный вклад в углубление фундаментальных знаний о физиологических механизмах солеустойчивости растений. Это достигнуто благодаря проведению сравнительного исследования растений двух видов р. Nigella (чернушка) с использованием большого набора морфометрических, физиологических и биохимических показателей в значительном диапазоне концентраций NaCl. Дополнительно был привлечен специальный экспериментальный прием - восстановление подвергнутых солевому стрессу растений при прекращении засоления. Установлено, что у растений Nigella негативное действие засоления в большой мере обусловлено прямым токсическим нарушением ионного баланса при резком доминировании ионов натрия над ионами калия и при заметном возвращении к норме при

восстановлении. Установлен факт многократного увеличения концентрации пролина в ответ на засоление и сильного его расходования, способствующего быстрому восстановлению растений. Впервые изученное явление восстановления может использоваться для разработки технологии повышения солеустойчивости с/х и лекарственных растений. Установлено, что Nigel/a damacena L. выдерживала более длительный период сильного засоления и превосходила N. sativa по репарационному потенциалу при большей стабильности ряда хозяйственно-ценных показателей после прекращения солевого стресса (состав жирных кислот, состав и содержание биологически активных веществ, масса семян, масса и доля линидной фракции в семенах). Это позволяет рекомендовать растения N. damascena для выращивания в хозяйственных целях на умеренно засоленных почвах, не пригодных для возделывания других с/х культур. Полученные экспериментальные данные и сделанные на их основе теоретические обобщения могут быть использованы в курсах лекций для студентов биологических и агрономических факультетов университетов.

Апробация работы Результаты работы были представлены: на IV Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в АПК» (Москва, 2012), на семинаре кафедры ботаники, физиологии растений и агробиотехнологии РУДН (2012), на Всероссийской научной конференции с международным участием «Инновационные направления современной физиологии растений» (Москва, 2013). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из них четыре статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объекта и методов исследования, изложения полученных

результатов и их обсуждения, заключения и выводов. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включая 23 таблиц, 24 рисунков; библиография содержит 170 названий, в т.ч. 96 на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследований служили растения двух видов чернушки: Nigella damascena L. (чернушка дамасская) - из Сирии и Nigella sativa L. (чернушка посевная) из Египта, однолетнее травянистое, цепное сельскохозяйственное растение. Условия проведения опытов. Выращивание растений осуществляли в оранжерее (почвенные опыты) и в климатической камере (гидропоника) Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва. Семена Nigella sativa L. и Nigella damascena L. предварительно помещали в слабый раствор КМп04 на 30 мин, затем проращивали в перлите в течение 15 дней. Для водных опытов проростки пересадили через 2 недели на среду Хогланда-Снайдера, и по достижению 4-недельного возраста в питательный раствор опытных вариантов вносили NaCl в концентрации 70ммоль/л, 110ммоль/л, 150ммоль/л. Воздействие NaCl продолжали 12 сут, после чего растения восстанавливали от засоления на питательной среде без NaCl в течение 12 сут. В почвенных опытах выращивали растения в сосудах на 4 кг воздушно-сухой почвы в контроле (без NaCl) и при Зх уровнях засоления - 2г, Зг и 4г NaCl/'кг почвы. Растительный материал фиксировали жидким азотом и хранили при -70°С. Измерение свежей биомассы побегов и корней проводили стандартным общепринятым методом (Пустовой и др.. ¡995). Пролмн определяли с ¡¡омощыо кислого нингидринового реактива (Bates et al. 1973). Содержание ионов К+и Na+ определяли на пламенном фотометре LEK1 FP-640, фирма LEK1 Instruments (Финляндия). Осмотический потенциал клеточного 'жсеудата измеряли на

крноскопическом осмометре Osmomat 030 (Gonotee. Германия). Содержание хлорофилла а и Ъ, каротинондов и ксантофиллов измеряли в спиртовом экстракте по Шлыку (1971). Определение растворимых фепольных соединений проводили по методу Фолина-Дениса (Загоскина с соавт., 2003). Уровень окислительного стресса по содержанию малонового диальдегпда (МДА) определял» но реакции с тиобарбитуровой кислотой (Heath R.L., Packer L., 1968). Абсолютное содержание линидов и их жнрнокислотный (ЖК) состав определяли по методу Сидорова с соавт. (2012). Определение биологически-активных веществ (БАВ) проводили тестированием водных извлечений общепринятыми в фармакогнозии качественными реакциями по Комаровой с соавт. (1998). Уровень липидной фракции в семенах определяли гравиметрическим экспресс-методом (Маширова, 2012). Все опьпы проводили не менее чем в двукратной биологической повторности. Результаты обрабатывали общепринятыми методами статистики (Доспехов, 1985).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Воздействие NaCL на растення двух видов Nigella н их восстановление от засолении при выращивании растений в гидропонике

Измерения морфометрических, физиологических и биохимических показателей растений N. damascena и N. saliva проводили на 5ые и 12ые сутки засоления и на 5ые и 12ые сутки процесса восстановления растений после прекращения засоления.

1.1. Морфометрнческие показатели при воздействии NaCl и при восстановлении от засоления.

Было установлено, что в использованных концентрациях от 70 до 150мМ NaCl вызывал торможение роста, биомассы побегов и корней растений N.

damascena и N. sativa. В таблице I представлены данные по влиянию засоления на рост стебля растений изучаемых видов чернушки в высоту.

Таблица, i

Влияние засоления на рост стебля растений N. damascena и N. sativa в высоту

Виды N damascena N. sativa

растений Рост стебля (мм)

Варианты Конт- 70мМ 11 ОмМ 150мМ Конт- 70 мМ 1 ЮмМ 150м М

опыта роль NaС! роль NaC!

5 суток 101 92,5 88.8 80,3 98± 96.25 76.27 65,5±

засоления ±1.04 ±1,2 ±1,6 ±1,8 0,88 ±1.4 ±1,5 1,7

12 суток 140 130 94 85,3 134 124 90,7 76,25

засодения- ±1,1 ±1,2 ±1,4 ±1,6 ±1,00 ±1,4 5±1,3 ±1.5

Уже на 5 день засоления заметно тормозило рост стебля в высоту в сравнении с контрольным вариантом, усиливаясь с увеличением

концентрации NaC!. На !2ый день при 150мМ NaC! снижение роста достигло 43% у растений N. saliva, несколько меньше - 38% у N. damascena (рис. ]).

120 <t « 100 с с; 1 | 80 « | 60 1 5 40 ■ ш SS 20 ÍI 1 | i 1

1234 1234 i

5д.+МаС13д+МаС1 i i

Б j

Рис. 1. Влияние засоления на высоту стебля растений N. damascena (К) vi N. sativa {Б/ За 100% принято высота стебля контрольных растений

1.контроль, 2.NaCl 70ммоль, 3.NaCl 110ммоль, 4.NaCl 150ммоль

При прекращении воздействия соли отмечали способность растений обоих видов к- восстановлению роста, особенно после низкого и умеренного засоления. Однако, когда растения после 1.2 дней действия 150 мМ NaCI

были перенесены на среду без NaCl, к 12 дню восстановления все растения N. sativa погибли (табл. 2).

Таблица 2

Восстановление роста стебля (мм) растений N damascena и N. sativa

Виды N. damascena /. sativa

растений Рост стебля (мм)

Варианты опыта Контроль 70мМ NaCl ПОмМ 150мМ Кот-роль 70мМ NaCl НОмМ 150м М

5 суток без МаС1 198 ±1,05 161 ±1.3 121 ±1,44 86.8 ±1,5 187 ±1,08 139 ±1,76 101 ±1.80 78.8 ±1.87

12 суток без ЫаС1 238 ±1,01 214 ±1,1 136 ¿1,3 87.5 ±1,6 280 ±1.00 264 ±1,67 168 ±1,68 -

Также было изучено действие NaCl на биомассу побега и корней. Снижение этих параметров от контрольного варианта у N. damascena и N. sativa было особенно сильным на 12 суток засоления. При 150 мМ NaCl снижение массы корней достигло почти на 70% от контрольного варианта у обоих видов растений, поскольку корни непосредственно контактировали с раствором соли. Таким образом, засоление тормозило рост растений и угнетало накопление биомассы побега и корней.

При прекращении воздействия соли растения обоих видов частично восстанавливали рост и накопление биомассы, особенно после низкого и умеренного засоления, кроме растений N. sativa, которые погибли в период восстановления после 12 дней воздействия 150 м'М NaCl.

1.2. Влияние засоления на содержание фотосинтетических пигментов

Чтобы выяснить возможные причины снижения ростовых показателей растений при засолении, изучали влияние засоления на содержание фотосинтетических пигментов в листьях.

Действие NaCJ выразилось в значительном снижении содержания суммы хлорофиллов а+Ь (рис.2).

Рис. 2: Сумма хлорофилла а+Ь в листьях растений N. damascena (А) и N. sativa (Б) при воздействии NaCI. За ¡00% принято содержание хлорофилла а+Ь в контрольных растениях. 1 .контроль, 2.NaCl 70мм.оль, З.МаО ИОммоль, 4.NaCl 150ммоль

При засолении на 5 сутки и особенно иа 12 сутки сумма хлорофиллов а+Ь снижалась с увеличением концентрации NaCI у N. damascena и у N. sauva. При высоком уровне засоления (150 мМ NaCI) сумма хлорофиллов а+Ь снизилась до 39.9% от контроля у растений N. damascena, несколько сильнее, до 32.3%, у N. saliva (рис.2). При прекращении воздействия соли от мечали восстановление суммы хлорофиллов у растений чернушки (рис. 3).

-е- 5

° s

О. О.

а к

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

й

5д. -NaCI :

¡1234;

' 12Д-1 Na ci;

a+b

S Œ

•в- 5

° S

о- В° %

га о? Ï

180 ! 160 I

140 1 120 1 100 1 80 ! 60 1 40 : 20 1 О

1234 ÍU»

SfrNaCI 12д :МаС !

a+b ¡

Б

Рис. 3: Содержание хлорофилла а+Ь в листьях растений N. damascena (А) и N. sativa (Б) при восстановлении без NaCI. За )00% принято содержание хлорофилла а+Ь в контрольных растениях 1 .контроль, 2.NaCl 70ммоль, 3.NaCl ПОммоль, 4.NaCI 150ммоль

Засоление также сильно снижало содержание каротиноидов у растении обоих видов чернушки. На 12 сутки засоления при 150 мМ NaCl падение каротиноидов составило у N. damascena 62%, у N. sativa 73%. При прекращении воздействия соли отмечали заметное восстановление суммы хлорофиллов и каротиноидов, при низком и умеренном засолении.

Значительное снижение содержания фотосинтетических пигментов и недостаточное их восстановление явилось важной причиной торможения роста и накопления биомассы растений чернушки.

+ -ъ

1.3. Содержание Na и К при воздействии NaCl на растения чернушки.

Известно, что одной из причин токсического действия NaCl является избыточное накопление ионов Na" и нарушение баланса К+/Na . Внесение NaCl в питательную среду приводило к быстрому поглощению

Таблица 3

Влияние засоления на содержание ионов натрия (мкмол/г сырой массы)

Виды V. damascena N. sativa

растений

Варианты Конт- 70м М 1 ШмМ 150мМ. Конт- 70.мМ ПОмМ. 150мМ

опыта роль NaCl роль NaCl

5 суток 7.83 21,0 22,3 30.8 6.30 14.4 19,6 22,3

засоления ±1.22 ±1,03 ±7,10 4.23 ±1,18 ±2,14 ±6,00 ±4, 62

12 суток 11,3 43,4 59,2 87,0 7.89 54,0 60.6 94.9

•засоления ±2,34 ±3,53 ±4,12 ±5,70 ±2.80 ±3,32 ±8,06 ±5,66

растениями ионов Na' и увеличению их содержания в листьях растений обоих видов чернушки (табл. 3). При этом на начальном этапе засоления (5 дней) содержание ионов натрия в листьях растений N. sativa было ниже, чем у N. damascena, но на 12 сутки засоления уровень Na' у чернушки посевной стал выше, чем у чернушки дамасской, особенно при 150мМ NaCl - в II раз у N. damascena и в 15 раз у N. sativa в сравнении с контролем.

Интенсивное поглощение натрия могло негативно влиять на поглощение калия. На рисунке 4 представлена динамика содержания ионов калия при

120 100 -I

120 ;

20 I

40 -

60

80

о -L

ь

S

i

к

1234 11234 i 5fl.+NaCl l^A+Nab А

1234 1234

Sfl.+NaCI Igfl+NaD Б

Рис. 4: Содержание ионов калия в N. damascena (Л) и N. sativa (Б) при воздействии NaCl. За 100% принято содержание ионов калия в контрольных растениях 1.контроль, 2.NaCl 70ммолъ, 3.NaCl ИОммоль, 4.NaCl

150ммоль.

Засолении. Снижение содержания ионов калия при действии NaCl было особенно значительным на 12 день засоления: при 150мМ NaCl его уровень составил всего около 20% у растений N. damascena и N. sativa, в сравнении с контрольными растениями. При переносе на среду без NaCl содержание калия увеличилось до 35% у N. damascena и до 28% у N. sativa на 5ый день после 150 мМ NaCl и до 74% у N. damascena в конце восстановления.

Отношение концентраций K'/Na', упавшее при максимальном засолении (150мМ) до 0,23 у N. damascena и до 0,18 у N. sativa, поднялось на 12 день без NaCl у N. damascena до 1,23, когда растения N. sativa погибли.

Сильное падение содержание ионов калия при росте Na* особенно у N. sativa при засолении и слабое восстановление при росте без соли было одной из причин гибели растений, этого вида.

1.4. Влияние засоления на содержание свободного пролина.

Важной защитной реакцией растений на засоление является синтез

совместимых осмолитов, у растений чернушки их представляет продин.

Засоление активирует синтез свободного пролина в листьях растений изучаемых видов, сильно увеличивая его уровень (рис. 5)

i им

13М

-.лиМ^П > ip+mci

ÍA 12

„ iO i» If с.

?i 2 S s

Я О

i

щчиа йд-ЯЙ® б

Рис. 5: Содержание пролина в листьях растений N. damascena (А) и N. sativa (Б) при засолении. За единицу принято содержание пролина в контрольных растениях 1.контроль, 2/NaCl 70мМ, 3.NaCl 1 ЮмМ, 4.NaCl 150мМ

На рисунке 5 видно, что на 5 сутки засоления в сравнении с контрольным вариантом содержание свободного пролина возрастает с увеличением концент рации NaCI в листьях растений N. damascena и N. sativa: на 12 сутки засоления содержание пролина продолжает нарастать. При 150мМ NaCI содержание пролина превышало уровень контроля у N. damascena и N. sativa в 10-11 раз.

При восстановлении, без NaCI, содержание пролина быстро снижалось, особенно у N. damascena, но немного слабее у N. sativa (табл.4). После 150

Таблица 4

Содержание свободного пролина (мкмоль/r сырой массы) при восстановлении после засоления

Виды N. damascena N. sativa

растении

Варианты Копт- 70мМ 1 ЮмМ 150мМ Конт- 70м М 1 ЮмМ 150мМ

опыта роль NaCI роль NaCI

5 суток 0,82 2,29 5,35 7,40 0,88 4,13 6,37 6,41

без NaCI ±0.02 ±0.07 ±0.1 ±0.2 ±0.03 ±0.3 ±0.3 ±0.5

12 суток 0,63 1,87 3.86 4,00 0,59 1,43 4,72 -

без NaCI 1:0.01 ±0.08 ±0.2 ± 0.3 ±0.02 ±0.2 ±0.2

мМ NaCl, на 12 сутки восстановления содержание свободного пролина у N. damascena снизилось до 4,00 мкмоль/г, т.е. в листьях растений осталось менее 1/3 накопленного при засолении пролина; к этому времени все растения N. sativa погибли.

1.5. Влияние засоления на осмотический потенциал клеток листьев Особенно важным результатом увеличения содержания Na" и пролина при засолении является понижение осмотического потенциала клеточного сока. Заметное снижение осмотического потенциала клеточного сока листьев проявилось на 5 день и усилилось на 12 день воздействия - с -0,677 и -0,642 МПа до -1,29 и -¡,30 МПа у растений N. damascena и N. sativa (рис. 6), что помогло поступлению воды в растения.

Рис. 6: Осмотический потенциал (МПа) в листьях растений N. damascena (А) и N. sativa (Б) при воздействии NaCl и восстановлении.

1.контроль, l.NaCI 70мМ, 3.NaCl П0мМ4.ЫаС1 150мМ При переносе растений на среду без NaCl, в период восстановления,

осмотический потенциал постепенно увеличивался, приближаясь к данным

контрольного варианта (рис. 6).

1.6. Уровень окислительного стресса Чтобы выяснить, в чем еще могло проявляться негативное действие

засоления на растения Nigel 1а, было решено измерить содержание

малонового диальдегида (МДА) как индикатора окислительного стресса по реакции с тиобарбитуровой кислотой (ТБК).

Рис.7: Влияние засоления на содержание МДА в N. damascena (А) и N. sativa (Б) при воздействии NaCl. За 100% принято содержание малонового диальдегида в контроле. 1.контроль, 2.NaCl 70мМ, 3.NaCl 1 ЮмМ, 4.NaCl 150мМ

На рис. 7 представлено содержание МДА у обоих видов растений на 5 и на 12 сутки засоления. В сравнении с контрольным вариантом содержание МДА увеличивалось с увеличением концентрации NaCl у N. damascena и у N. sativa. При 150мМ NaCl возрастание МДА в пробах листьев превышало уровень контроля у N. damascena в 2,5 раза, а у N. sativa в 2.8 раза. При снятии действия соли, на этапе восстановления, наблюдалось заметное снижение МДА у растений чернушки, которое происходило значительно быстрее в листьях N .damascena, чем N. sativa (табл.5).

Таблица 5

Содержание МДА (мкмоль/г сыр. массы) при восстановлении от засоления.

Виды растений N. damascena N. sativa

Варианты опыта Конт- 70м М ПОмМ 150м Конт- 70мМ 11.0м 150.«

роль NaCl М роль NaCl М М

5 суток без 0,18 0,21 0,24 0.27 0.19 0,26 0,32 0,40

засоления ±0.03 ±0.08 ±0.12 ±0.16 ±0.04 ±0.08 ±0.13 ±0.17

12 суток без 0,17 0,17 0,19 0.22 0.21 0,23 0,27 -

засоления ±0.0! ±0.06 ±0.09 ±0.12 ±0.02 ±0.05 ±0.08

1.7. Содержание низкомолекулярных фенольных соединений при засолении.

Фенольиые соединения как амтиоксиданты могут участвовать в защите растений от окислительного стресса. Засоление вызывало значительно увеличение содержание фенольных соединений по отношению к контролям (табл. 6). При этом на 12ые сутки действия соли при сильном засолении (150 мМ NaCl) этот показатель повысился у растений обоих видов чернушки практически в одинаковом размере - на 75-77% (табл.6).

Таблица 6.

Содержание фенольных соединений (мкмоль/г сырой массы) при засолении.

Виды растений N. damascena N. sativa

Варианты опыта Контроль 70мМ NaCl 1 ЮмМ 150мМ 1 Контроль 70мМ NaCl 1 1 ОмМ 15 ОмМ

5 суток засоления 12,47 ±0.1 14,91 ±0.2 16,61 ±0.23 20,87 ±0.28 14,47 ±0.1 17.36 ±0.22 19.5 ±0.25 25.00 ±0.3

12 суток засоления 14,85 ±0.2 19,00 ±0.23 21.53 ±0.24 26,00 ±0.29 19.79 ±0.21 25.3) ±0.24 29.48 ±0.27 35.02 ±0.3

В процессе восстановления, без NaCi, наблюдалось интенсивное уменьшение фенольных соединений в листьях изучаемых видов. К концу опыта, на 12ые сугки восстановления, превышение над контролем после умеренного засоления (110 мМ NaCl) составило всего 25 и 23% (у N. damascem и N. sativa) и даже после высокого засоления (150 мМ NaCl) у N. damascena не превысило 30%.

1.8. Влияние засоления на абсолютное содержание липидов в листьях и корнях растений чернушки в условиях засоления и на этапе восстановления.

Негативные изменения, вызванные в растениях засолением, могли отразиться на содержании и составе липидов растений. На рисунке 8 представлено содержание липидов в листьях и корнях двух видов чернушки.

/ашыла ti,-. •••*.«

Рис.8. Содержание липидов в листьях и корнях N. damascena и N.sativa при засолении (А) и последующем восстановления (Б и В). 1 листья N. damascener, 2 - листья N.saliva; 3 корни N. damascena', А - корни N. sativa

При засолении содержание липидов в листьях и корнях растений чернушки по сравнению с контрольным вариантом снизилось, более значительно у N. sativa, чем у N. damascena, за исключением листьев N. damascena, у которых наблюдалось некоторое их увеличение. При прекращения воздействия соли содержание липидов как в листьях, так и в корнях заметно увеличивалось (рис. 8Б и ЯВ). Более успешно восстановление происходило у N. damascena. особенно по сравнению с исходными величинами, перед началом восстановления. Содержание липидов в корнях N. damascena увеличилось на 40-60%, в то время как у N. sativa максимальное повышение было 20%, а после 70 мМ. NaCi произошло снижение примерно на 40% (рис. 8В). Качественный и количественный состав жирных кислот (ЖК) липидов листьев и корней N. damascena и N. sativa был сходным; при засолении несколько повышался уровень их ненасыщенности. Восстановление после засоления более полно происходило у N. damascena, в то время как у N. sativa доля триненасыщенных ЖК оставалась ниже контроля.

2. Воздействие NaCI на растения N. damascena и Л1, sativa, растущие в почве.

Для того чтобы проверить действие соли на растения Nigella в условиях, более близких к естественным, были проведены почвенные опыты.

2.1. Влияние засоления на выживание растений N. damascena и N. saliva

Установлено, что в течение 30 дней засоления у N. damascena, как у N. sativa сохранились почти все растения контрольного варианта (Табл.7). При

Таблица7.

Влияние засоления на выживание растений N. damascena и N. sativa (%%).

Вид растения N. damascena | N. sativa

Выживание растений чернушки (%)

Варианты Контроль 2 г NaCI/ кг Зг NaCI/ кг 4г NaCI/ кг Контроль 2г NaCI/ кг Зг NaCI/ KI" 4 NaCI/ кг

Дни всгздей ствия NaCI 10 дней 93,7 87,5 75,0 31,2 93,7 75,0 70,0 18,75

20 дней 93,7 75.75 50,0 12,5 87,5 62,5 43,75 -

30 дней 93,7 68,8 50,0 - 87.5 62,5 37,5 —

умеренной концентрации NaCI выжила половина растений N. damascena (50%), но всего 37,5% N. sativa. При высоком засолении все растения чернушки посевной погибли уже к 20ому дню засоления, а у дамасской гибель произошла на 10 дней позже (табл.7). Это означает более высокую устойчивость к засолению растений N. damascena в сравнении с N. sativa.

2.2. Содержание фотосинтетических пигментов

Содержание пигментов в листьях обоих видов растений при 30-дневном воздействия NaCI сильно понизилось (рис. 10). В соответствии с

увеличением концентрации внесенной в почву соли снижалось содержание

хлорофилла a, b, каротиноидов, ксантофиллов, но сильно увеличилось отношение хл а/хл b по сравнению с контрольным вариантом. При оценке в %% от контроля изменение всех изученных показателей было более выражено у растений вида N. sativa, чем у N. damascena (рис.9).

2» 200 159 100

S S0 о

и

Ш 123 Ш Ш Щ ИЗ.

А !

7S0 ■■-.

Ш i

о

X \

Я % i SO |

S о

ш Е МО -1

2

Í5S Ш в so -1

SV i

é о 4

I 123 113 ИЗ 123 рз Ш

! i n» I xlA

Рис.9: Влияние засоления на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений N. damascena (А) и N. sativa (Б). За 100% принято содержание пигментов в контрольных растениях.1.контроль 2-NaC! 2т/кг почвы, ЗЛаСЛ. Зп'кг почвы

Было также показано увеличение содержания пигментов на этапе восстановления в соответствии со степенью засоления.

2.3. Содержание свободного пролина в условиях почвенного засоления

Влияние ^'аС1 на содержание пролина в листьях было обнаружено по увеличению его уровня в растениях засоленных вариантов (рис. 10).

Рис. 10: Влияние засоления на содержание пролина в листьях растеиий N. damascena (а) и N. sativa (б). За единицу принято содержание пролина в контроле.

1 - контроль, 2 - NaCl 2 г/кг, 3 - NaCl 3 г/кг почвы.

При сильном засолении (Зг NaCl/кг почвы) содержание пролина увеличивалось в 10 раз у N. damascena и около 8 раз у Ar. saliva в сравнении в растениями контрольного варианта В процессе восстановления содержание пролина в листьях обоих видов растений сильно снизилось. Таким образом, при выращивании в почве в условиях засоления растения чернушки показали те же закономерности, что и при росте в водной культуре. Получила подтверждение более высокая устойчивость к засолению растений N. damascena.

3. Влияние засоления на биохимический состав побега и характеристики семян.

Изученные представители рода Чернушка являются как пищевыми, так и лекарственными культурами, поэтому нами были изучено влияние засоления на биохимический состав надземной массы и на характеристики семян.

3.1. Влияние засоления на массу плодов и на число и массу семян чернушки.

Засоление при уровне Зг NaCl/кг значительно влияло на массу плодов и семян растений обоих видов чернушки (табл. 8). Полученные результаты показали, что засоление снижало массу плодов и семян и их число в плоде.

Таблица 8

Влияние засоления на массу плодов и семян и число семян в плоде.

Характеристики Чернушка дамасская Чернушка посевная

контроль NaCl контроль NaCl

Средняя масса 10 плодов, г 95±1.2 83± 1.04 80±2 65±0.9

Среднее число семян в одном плоде, шт. 27±1.2 23±1.2 29-4.4 20*1.2

Масса 1000 семян, г 3,01 ±0,027 2,97 ±0.034 2,60 ±0.245 2,35 ±0,156

Снижение этих показателей при засолении у растений чернушки дамасской составило 13,0%, 15,0% и около 1,0% соответственно,

в то время как у чернушки посевной разница была значительно большей -19,0%; 31,0% и 10,0%, соответственно. N. damascena, судя по этим данным, показала заменю большую устойчивость к засолению, чем N. sativa

3.2. Влияние засоления на наличие и уровень в побегах чернушки групп БАВ.

Были проведены качественные реакции для определения наличия таких групп БАВ как фенольные соединения, сапонины, полисахариды и флавоноиды (Табл. 9).

Таблица 9.

Влияние засоления на содержание соединений групп БАВ в надземной части растений чернушки дамасской и чернушки посевной

Группа БАВ Фенольные соединения Сапонины Флавоноиды Полисахарид ы

Об ьект исслсдов ания Побеги чернушки дамасской контроль) Черное с ¡еленым опенком окрашивание +++ Желтое окрашива-ше ++ Обильная и устойчивая пена н- Светло коричневое окрашивание +■ Розовое окрашивание ++++ Аморфный хлопьевидный осадок ++++

Побеги чернушки тамасской 'соль) Слабое черное окрашивание ++ Желтое окрашивание + Обильная п устойчвая нена + Светло коричневое окрашивание Слаборозовое окрашива ние ++ Аморфный, хлопьевидный осадок ++

Побеги чернушки посевная (контроль) Черное с зеленым оттенком окрашивание ++ Желт ое окрашивал не ++ Обильная и устойчивая пена ++ Свегло-корнчневое окрашивание ++ Розовое окрашивание ++ Аморфный хлопьевидный осадок ++

Побеги чернушки посевной (соль) Слабое черное окрашивание + Желтое окрашивание + Обильная и устойчивая пена + Светло коричневое окрашивание т Слаборозовое окрашивание + Аморфный, хлопьевидный осадок 4-

Из данных таблицы 9 следует, что и в контроле и в условиях засоления в побегах растений присутствуют одни и те же группы БАВ. Однако, судя по степени образования осадков и интенсивности окрашивания растворов продуктов качественных реакций, БАВ накапливаются больше в биомассе растений чернушки дамасской и посевной, выращенных в контроле, чем в биомассе тех же растений видов чернушки, выращенных в условиях засоления.

3.3. Влияние засоления на содержание липидной фракции в семенах растений двух видов чернушки.

Результаты изучения влияния засоления на уровень жирного масла в семенах исследуемых видов представлены в таблице 10.

Таблица 10

Содержание липидной фракции в семенах растений чернушки, выращенных в контроле и при засолении.

Название растения Образен семян Масса семян, г Объем извлечения, мл Масса лигтиднон фракции, г Содержание липидной фракции, %

Чернушка дамасская контроль 0,402 25,0 0,132 30,52

засоление 0,412 25,0 0,109 26,45

Чернушка посеш 1ая контроль 0,416 25,0 0,127 32,83

засоление 0,400 25,0 0,095 23,75

Как видно из полученных данных, уровень накопления липидов в семенах чернушки посевной, выращенной при засолении (Зг №С1/кг), меньше (23,75%), чем в семенах растений контрольного варианта (32,83%). В семенах чернушки дамасской, выращенной без соли, накапливается также больше липидной фракции (30,52%), чем в семенах растений в условиях засоления (26,45%). При этом, в условиях засоления накопление жирного

масла в семенах чернушки посевной тормозится значительно сильнее, чем в семенах чернушки дамасской (на 27,61% и на 14,13% от контролен, соответственно).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Растения двух изученных видов рода Nigella (чернушка) - N. damascena и N. saliva - являются гликофитами. Однако в областях их природного произрастания и хозяйственного использования нередки засоленные почвы. В связи с этим важно было изучить ответные реакции этих двух видов на это стрессовое воздействие разной интенсивности. Кроме того, необходимо было также получить информацию о возможном влиянии засоления на хозяйственно важные показатели химического состава растений чернушки.

На растениях обоих изученных видов - N. damascena и N. sativa -негагивое действие засоления проявилось в подавлении ростовых показателей, снижении содержания фотосинтетических пигментов, нарушении уровня и соотношения калия и натрия, проявлении окислительного стресса, при этом, в степени, пропорциональной интенсивности засоления и продолжительности его действия.

Важным механизмом адаптации растений к засолению является снижение осмотического потенциала клеток за счет накопления осмолитов, прежде всего ионов натрия. Однако аккумуляция ионов натрия в высоких концентрациях оказывает прямое токсическое действие на метаболизм растений. Необходимый защитный эффект в этих условиях оказывает сильная аккумуляция у растений Nigella иролина как совместимого осмолита и антиоксиданта. Это имеет особенное значение в связи повышением при засолении концентрации активных форм кислорода (АФК), вызывающих окислительный стресс. В качестве важного элемента защиты от АФК у

растений чернушки обнаружено накопление низкомолекулярных фенольных соединений. В настоящем исследовании установлен факт более низкой солеустойчивоети растений N. sativa, погибавших к 20ому дню культивирования при концентрации 4 г NaCl/кг почвы, когда еше сохранялось 12,5% растений N. damascena; полная гибель последних происходила на К) дней позже. При выращивании в гидропонике после удаления NaCl из питательной средьг происходило частичное восстанавление ростовых и ряда биохимических показателей. Сравнение N. sativa и N. damascena по этим параметрам показало, что растения N. damascena характеризуются более высоким уровнем солеустойчивоети, что особенно наглядно проявилось в способности к восстановлению также и после наиболее сильного солевого стресса - 150 мМ NaCl, который приводил к гибели все растения N. sativa. Одной из вероятных причин эффективного восстановления растений после засоления может быть интенсивное использование пролина, накопленного в растениях в условиях засоления.

ВЫВОДЫ

1. Растения Nigella damascena и N. sativa показали довольно высокую солеусточивость, что проявилось в их способности завершать жизненный цикл при невысокой или умеренной концентрации NaCl как в гидропонике, так и в почвенной культуре. О меньшей солеустойчивоети N. sativa в сравнении с N. damascena свидетельствует более быстрая гибель растений этого вида при 4 г NaCl/кг почвы.

2. Засоление тормозило рост растений чернушки, снижало накопление биомассы побега и корневой системы; степень торможения роста зависела от дозы и продолжительности действия NaCl. Одной из причин торможения роста растений чернушки при засолении является снижение содержания в

листьях фотосинтетических пигментов, особенно хлорофилла b и каротиноидов.

3. В основе токсического действия NaCI на растения чернушки лежало избыточное накопление ионов натрия при одновременном снижении содержания ионов калия, что приводило к сильному снижению соотношения K*/Na+ при максимальном токсическом эффекте соли.

4. Накопление Na+ вместе с многократным повышением концентрации совместимого осмолита пролила при засолении сильно понижало осмотический потенциал листьев растений N. damascena и N. sativa. Эго смогло обеспечить восстановление притока воды в надземные органы растений чернушки и их выживание в условиях засоления.

5. Вызванный неблагоприятными условиями засоления окислительный стресс проявлялся в значительном превышении уровня МДА над контролем. Накопление низкомолекулярных фенольных соединений и пролнна способствовало защите от окислительного стресса.

6. Засоление влияло на содержание липидов в листьях растений чернушки и на качественный и количественный состав суммы жирных кислот, включающей 16-18 индивидуальных компонентов.

7. Растения N. damascena и N. sativa проявляли способность к восстановлению после засоления при всех испытанных концентрациях NaCI, за исключением растений N. sativa, погибавших к окончанию периода восстановления после воздействия 150 мМ NaCI. На удаление NaCI из среды (водной или почвы) растения обоих видов чернушки отзывались частичным восстановлением ростовых показателей, жирнокислотного состава липидов, снижением концентрации ионов Na, уровня окислительного стресса и особенно сильным расходованием накопленного при засолении пролина.

8. Плоды, выросшие при постоянном засолении, имели сниженную массу, уменьшенное число семян и среднюю массу одного семени.

9. Засоление снижало содержание фенольных соединений, полисахаридов, сапонинов, флавоноидов и экстрактивных веществ, растворимых в 50% спирте, в побегах N. damascena и N. saliva.

10. Растения N. damascena и N. sativa относительно слабо различались по исследованным морфометрическим и физиологическим показателям но отношению к действию засоления. Тем не менее, N. damascena достоверно превосходила N. sativa по репарационному потенциалу после действия солевого стресса. Так, у N damascena выявлена меньшая вариабельность в составе жирных кислот, экстрактивных веществ, массы семян. В целом, может оказаться перспективным выращивание N. damascena в хозяйственных целях на умеренно засоленных почвах.

Список публикаций по теме диссертации

1. Гогуэ Д. О. , Холодова В.П., Кузнецов Вл.В. Влияние солевого стресса на рост и некоторые физиологические показатели растений рода Nige.Ua. Вестник РУДН, Серия Агрономия и Животноводство, 2013, № 2, С 12-19.

2. Гогуэ Д. О. , Вандышев В.В., Растения Ког д' Ивуара, используемые в народной медицине. Вестник РУДН, Серия Агрономия и Животноводство, 2013, №3, С 5-12.

3. Гогуэ Д.О., Влияние солевого стресса на некоторые характеристики двух видов чернушки. Фармация 2013, № 6, С 14-17.

4. Гогуэ Д. О. , Холодова В.П. , (2013) Особенности процессов восстановления у растений двух видов Nigella, подвергнутых засолению. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции « Инновационные направления современной физиологии растений» с.258.

5. Гогуэ Д. О. , Холодова В.П. , Цыдендамбаев В.Д., Кузнецов Вл.В., Жирнокислотный состав липидов вегетативных органов чернушки при разном уровне засоления среды. Известия РАН. Серия Биологическая, 2014, №3, с. 264-270.

Подписано в печать 6.11.2014 г. Формат 60><84 1/16. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ 453.

Издательство РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева 127550, Москва, Тимирязевская,44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-40-64