Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физиологические особенности засухоустойчивости яровой пшеницы и роль фитогормонов в ее регуляции у сортов Росинка и Омская 23

ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Физиологические особенности засухоустойчивости яровой пшеницы и роль фитогормонов в ее регуляции у сортов Росинка и Омская 23"

005042466

На правах рукописи ф^/

Широкова Наталья Петровна

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ И РОЛЬ ФИТОГОРМОНОВ В ЕЕ РЕГУЛЯЦИИ У СОРТОВ РОСИНКА И ОМСКАЯ 23

03.01.05 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 0 [»¡ни 2012

Красноярск - 2012

005042466

Работа выполнена на кафедре физиологии растений и биотехнологии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Якушкина Наталия Ивановна!;

доктор биологических наук, профессор [Карначук Раиса Александровна|

Попов Василий Николаевич, доктор биологических наук, профессор, Воронежский государственный университет, кафедра физиологии и био-химиирастений, заведующий;

Гольд Виктор Моисеевич, доктор биологических наук, профессор, Сибирский федеральный университет, кафедра водных и наземных экосистем, профессор

ФГБОУ ВПО «Орловский государственный университет»

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 9:30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.15 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. Р8-06 (факс: (391) 244-86-25).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь СЪ^./ Гаевский диссертационного совета -----Николай Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Засухоустойчивость растений - это комплексный признак, связанный с целым рядом физиологических особенностей. Она складывается из способности растения противостоять обезвоживанию и часто перегреву (Максимов, 1926).

Изучению влияния данных факторов среды на растения посвящено большое количество исследований (Максимов, 1952; Генкель, 1982; Blum, 1996; Чиркова, 2002; Гончарова, 2005). Однако до настоящего времени не удалось создать целостную физиолого-генетическую модель признака засухоустойчивости, основанную на понимании биологических реакций растений, адекватно отражающих процессы адаптации и формирования урожая в условиях длительного обезвоживания тканей. По-прежнему актуальной задачей для физиологии растений остается выяснение биологических закономерностей адаптации растений к обезвоживанию.

Имеются данные, что процессы адаптации растений происходят в тесной связи с изменениями гормонального статуса растений (Полевой, Саламатова, 1997; Шакирова, 2001; Веселова, Фархутдинов, 2006). Фито-гормоны, влияя на физиологию и морфологию растений, усиливают адаптивные возможности и приспособительные реакции растительного организма к неблагоприятным факторам среды (Якушкина, 1985; Тарчевский, 2002, Davies, 2007). Для адаптации растений к неблагоприятным условиям среды применяют прямое воздействие на растения веществами гормональной природы (Кефели, Коф, 1989; Романов, Медведев, 2006). Особую роль в регуляции водного режима, адаптации растений к недостаточному водоснабжению играет абсцизовая кислота (Бахтенко, Якушкина, 1995; Leung, Giraudat, 1998; Härtung, Sauter et al., 2002; Новикова, Степанченко, 2009). Имеются также данные о значении в этом отношении цитокининов (Кулаева, Кузнецов, 2002; Dodd, Davies, 2007). Физиологически активные вещества действуют на растения избирательно. В различных почвенно-климатических условиях их влияние на рост и развитие растительных организмов неодинаково. Действие веществ гормональной природы на растение также зависит от его видовых, сортовых особенностей и физиологического состояния (Кудоярова, 1991; Авальбаев, Юлдашев, 2006; Романов, 2009).

Изучение процессов роста и развития растений в условиях водного дефицита и понимание роли фитогормонов и их синтетических аналогов в продукционном процессе не теряют своей актуальности и в настоящий момент (Гончарова, 2005; Чижова, Павлова, 2005). С физиологической точки зрения чрезвычайно важно установить чувствительность различных процессов жизнедеятельности и последовательность их нарушения у растений при засухе, а также роль фитогормонов в засухоустойчивости злаков, в том числе важнейшей культуры - пшеницы, ареал возделывания

которой приходится в основном на зоны, периодически страдающие от недостатка влаги и высоких температур.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось выяснение физиологических ответов растений пшеницы омской селекции на пониженное водоснабжение, изучение роли фитогормонов в регуляции основных физиологических процессов при водном дефиците, а также возможности использования их синтетических аналогов для повышения засухоустойчивости растений.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить особенности водного обмена, фотосинтеза (содержание суммы хлорофиллов, чистую продуктивность фотосинтеза) и роста при водном дефиците у растений пшеницы сортов Росинка и Омская 23, отличающихся по продуктивности.

2. Определить уровень и соотношение эндогенных фитогормонов (абсцизовой кислоты (АБК) и цитокининов) в данных сортах пшеницы в условиях разного водоснабжения.

3. Проанализировать влияние экзогенного цитокинина (кинетина) на уровень эндогенных АБК и цитокининов у сортов пшеницы Омская 23 и Росинка в разных условиях водоснабжения.

4. Исследовать действие экзогенных гормонов (6-бензиламинопурина (БАП), кинетина, картолина, гибберелловой кислоты) на водный режим, фотосинтез (содержание суммы хлорофиллов, чистую продуктивность фотосинтеза), рост и продуктивность пшеницы сортов омской селекции в условиях разного водоснабжения и возможность их использования для повышения засухоустойчивости растений.

Защищаемые положения:

1. Изменения водного обмена, ростовых процессов и фотосинтеза лежат в основе механизма засухоустойчивости растений пшеницы сортов омской селекции. Устойчивость пшеницы сорта Росинка связана с накоплением пролина и активной регуляцией содержания воды в растении, обеспечивающими более высокую интенсивность роста и продуктивность в условиях водного дефицита.

2. Эндогенные фитогормоны АБК и цитокинины (зеатин и зеатин-рибозид) являются важными регуляторами засухоустойчивости пшеницы на примере сортов омской селекции.

3. Экзогенные гормоны 6-БАП (4,4 х 10~5- 6,6 х 1(Г5 М) и картолин (9,98 х 10"5 М) повышают засухоустойчивость яровой пшеницы сортов омской селекции и могут быть перспективными регуляторами продуктивности пшеницы при водном дефиците.

Научная новизна. Впервые изучены особенности физиологических функций и роль фитогормонов в регуляции разных по засухоустойчивости сортов яровой пшеницы омской селекции. Показана роль АБК, цитокининов и пролина в регуляции водного обмена, роста и фотосинтеза яровой пшеницы сортов Омская 23 и Росинка в условиях водного дефицита. При

этом у более засухоустойчивого сорта Росинка уровень АБК выше. Исследования вносят вклад в понимание роли фитогормонов (цитокининов и абс-цизовой кислоты) в регуляции роста, продуктивности и устойчивости растений яровой пшеницы к засухе. Полученные результаты позволяют рекомендовать синтетические аналоги фитогормонов 6-БАП и картолин для использования в практическом растениеводстве данной культуры.

Практическая значимость работы. Выявленные особенности уровня эндогенных АБК и цитокининов пшеницы разных сортов омской селекции в условиях водного дефицита позволяют рекомендовать этот показатель в качестве теста в селекционной работе при получении засухоустойчивых сортов пшеницы. Результаты исследования по засухоустойчивости сортов пшеницы Омская 23 и Росинка дают основание рассматривать Росинку как более засухоустойчивый сорт и рекомендовать его при культивировании в условиях засушливого климата. Данные исследований позволяют рекомендовать использование синтетических регуляторов роста 6-БАП и карто-лина для увеличения продуктивности зерновых культур в условиях засухи.

Полученные результаты используются при чтении курса «Физиология растений», спецкурсов «Фитогормоны», «Системы регуляции у растений» и «Физиология устойчивости растений» для биологов педагогических университетов.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на конференции «Влияние физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных культур» (Орехово-Зуево, 1996), на 4 Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 1997), 5 и 6 Международных конференциях «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 1999 и 2001), на 5 съезде Общества физиологов растений России и Международной конференции «Физиология растений - основа фитобиотехнологии» (Пенза, 2003), на Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004), Молодежной Всероссийской школе-семинаре «Современные фундаментальные проблемы физиологии и биотехнологии растений и микроорганизмов» (Томск, 2008), Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» (Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, среди них 8 статей, 2 из них в журналах, рекомендованных ВАК, и 10 материалов конференций.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментальных работ, в обработке и анализе полученного материала.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 151 странице машинописного текста. Содержит 30 таблиц, 40 рисунков и состоит из введения, обзора литературы (2 главы), экспериментальной части (3 главы), выводов. Список литературы включает 298 наименований, из них 92 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 и Глава 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В главах систематизированы и обобщены результаты исследований по влиянию водного дефицита на основные физиологические процессы растений, о механизмах засухоустойчивости растений. Проанализированы литературные данные по действию экзогенных гормонов (цитокининов, абсцизовой и гибберелловой кислот) и их синтетических аналогов (кине-тина, бензиламинопурина и картолина) на растительный организм.

Глава 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследования проводили в условиях вегетационных и полевых опытов на яровой мягкой пшенице (ТпНсит аеяНуит Ь.) сортов омской селекции Омская 23 и Росинка. Сорт Омская 23 обладает большей продуктивностью.

В вегетационных опытах исследуемые растения выращивали в сосудах объемом 4 кг почвы. Влажность почвы при посеве наклюнувшимися семенами составляла 80 % от полной влагоемкости (ПВ) почвы. Затем в ходе опытов создавали заданную по вариантам влажность почвы и далее поддерживали ее на уровне 60 и 30 % от ПВ путем полива по массе. Вегетационные опыты проводили в различных модификациях.

В одном из экспериментов заданную по вариантам влажность почвы создавали к началу фазы трубкования зерновой культуры, в процессе которой интенсивно проходит формирование генеративных органов. Этот период является критическим в развитии пшеницы. Выращивание растений на разном уровне водоснабжения осуществлялось в течение всего вегетационного периода. Обработка растений кинетином (7,0 х 10"' М) проводилась в фазу трубкования.

В другом эксперименте растения, выращиваемые на разном |>оне водоснабжения, дважды обрабатывали бензиламинопурином (4,4 х 10" М): первый раз в фазу третьего листа. Через 2 дня после обработки все растения переводили на оптимальный уровень водоснабжения (60 % от ПВ) и в таких условиях выращивали в течение недели. Затем растения вновь переводили на разный уровень водоснабжения. В фазу трубкования (на седьмой день водного дефицита) растения вновь обрабатывали бензиламинопурином (6-БАП). После этого до конца опыта растения выращивали на заданном фоне водоснабжения.

Также был поставлен эксперимент, в котором первоначально растения в вегетационных сосудах выращивали при одинаковом уровне водоснабжения (60 % от ПВ). В фазу трубкования растения обрабатывали 6-БАП (6,6 х 10"5 М) и переводили на разный уровень водоснабжения, т. е. растения обрабатывали гормоном до наступления водного дефицита. На десятый день определенного водоснабжения растения снова переводили на

оптимальный уровень водоснабжения и в таких условиях выращивали до конца эксперимента.

В полевых исследованиях в фазу трубкования растения экзогенно обрабатывали регуляторами роста: картолином в концентрации 9,98 х 10 М, гибберелловой кислотой в концентрации 7,2 х 10~5 М, 6-бензиламинопу-рином в концентрации 6,6 х 1СГ5 М. Контрольные растения опрыскивали водой.

В процессе исследований определяли показатели ростовых процессов: длину побега, сырую и сухую массу, площадь листьев (Аникиев, Кутузов, 1961), поверхность колоса (Кумаков, 1968). Исследовали показатели водного обмена: интенсивность транспирации по методике А. А. Иванова с соавторами (1950), водный дефицит листьев по методике И. Г. Шмать-ко (1983), общее содержание воды (Третьяков и др., 1990). Суммарную концентрацию хлорофиллов «а» и «Ь» определяли в спиртовой вытяжке с дальнейшим фотоэлектроколориметрированием с красным светофильтром, рассчитывая по формуле (Гавриленко, Ладыгина и др., 1975); чистую продуктивность фотосинтеза - по методике А. А. Ничипоровича (1961). Содержания пролина определяли по методике, разработанной L. S. Bates с соавторами (1973) и модифицированной JI. Г. Калинкиной (1990). Определение содержания абсцизовой кислоты и цитокининов проводили им-муноферментным методом (Кудоярова и др., 1990, 1996) с использование прибора «Dombi plate» (Россия).

Растительные образцы отбирали в основные фазы онтогенеза: фазы третьего листа, трубкования, колошения, молочной и полной спелости. В исследованиях в каждой биологической повторности использовали не менее 10 растений в полевых опытах и не менее 4-6 растений в вегетационных опытах. Все эксперименты поставлены в четырех-пяти биологических и четырех аналитических повторностях.

Математическую обработку данных проводили с помощью методов вариационной статистики, используя программу Microsoft Excel. В таблицах и на гистограммах приведены средние арифметические значения и их среднеквадратичные ошибки. Оценку достоверности результатов проводили на основе критерия Стьюдента при уровне вероятности не менее 95 %.

Глава 4. ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ ОМСКОЙ СЕЛЕКЦИИ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТИ

Показатели водного обмена. Известно, что возможностей у растений преодолеть значительный водный стресс тем больше, чем выше их способность избегать высыхания и чем больше может обезвоживаться протоплазма клеток без губительных последствий (Генкель, 1978; Turner, Begs, 1981).

В наших исследованиях на начальном этапе водного дефицита содержание воды в растениях у обоих сортов пшеницы не менялось. В даль-

нейшем в ходе онтогенеза уровень воды постепенно снижался у обоих сортов пшеницы, в большей степени - у растений сорта Омская 23 (табл. 1).

Таблица 1 - Содержание общей воды в растениях пшеницы сортов Омская 23 и Росинка на разном фоне водоснабжения

Сорт растений Вариант Содержание воды в растениях, %

День водного дефицита

2-й 8-й

Омская 23 60 % от ПВ 83 ± 0,00 72 ±0,35

30 % от ПВ 83 ± 0,25 43 ±1,43*"

Росинка 60 % от ПВ 83 ± 0,88 72 ± 0,85

30 % от ПВ 82 ± 0,48 68 ± 0,71**

Примечание: ** — различия достоверны при р = 0,01; *** - различия достоверны при р = 0,001.

В фазу трубкования в вегетационных опытах в условиях достаточного водоснабжения интенсивность транспирации сортов пшеницы Омская 23 и Росинка была одинаковой. В условиях водного дефицита у обоих сортов пшеницы интенсивность транспирации снизилась; в большей степени это произошло у растений сорта Омская 23.

В дальнейшем к фазе молочной спелости в условиях водного дефицита более интенсивная транспирация также сохранялась у сорта Росинка, в связи с этим увеличивался водный дефицит и снижалось общее содержание воды в растениях, в том числе и во флаговых листьях данного сорта. Это согласуется с результатами исследований, в которых было показано, что флаговые листья более засухоустойчивого сорта пшеницы содержали меньше общей воды и имели больший водный дефицит (Кумаков и др., 1990). Это позволяет предполагать, что сорт пшеницы Росинка более засухоустойчив, чем сорт Омская 23.

При восстановлении водоснабжения до нормального уровня интенсивность транспирации у обоих сортов пшеницы увеличивалась. Однако амплитуда колебаний интенсивности транспирации была ниже у сорта Росинка. Кроме того, после восстановления водоснабжения у растений данного сорта полностью восстановилось и содержание воды в тканях. Это свидетельствует о лучшей способности более засухоустойчивого сорта Росинка регулировать водный баланс.

Одной из стратегий выживания растений при водном стрессе является аккумуляция низкомолекулярных соединений (осмолитов). Особенно важную роль у многих растений играет пролин (Шевякова и др., 1998; Гончарова, 2005).

В наших исследованиях в условиях дефицита воды содержание пролина резко возрастало в листьях обоих исследуемых сортов пшеницы (рис. 1). Однако более значительное его увеличение произошло в листьях сорта Росинка, что позволяет говорить об одном из механизмов поддержания засухоустойчивости пшеницы.

250 -'-

Омская 23 Росинка

Рис. 1. Влияние водного дефицита на содержание пролина в листьях пшеницы сортов Омская 23 и Росинка

При исследовании водного режима сортов пшеницы Росинка и Омская 23 у пшеницы сорта Росинка были выявлены признаки, указывающие на то, что данный сорт пшеницы является более засухоустойчивым, чем сорт Омская 23.

Фотосинтез. В ходе исследований определяли суммарное содержание хлорофиллов в листьях и стеблях растений и чистую продуктивность фотосинтеза исследуемых сортов пшеницы.

В условиях водного дефицита в фазу трубкования и в листьях, и в стеблях обоих сортов пшеницы произошло увеличение суммарного содержания хлорофилла, при этом наиболее значительное увеличение наблюдали в листьях сорта Росинка.

В дальнейшем в фазу молочной спелости при влажности почвы 30 % от ПВ во флаговом листе обоих сортов пшеницы наблюдалось снижение суммарного уровня хлорофиллов.

Это согласуется с мнением, что при более сильном воздействии засухи происходит дезагрегация хлорофилл-белково-липидного комплекса пластид, уменьшается содержание хлорофилла (Генерозова, 1978; Тарчев-ский, 2000). В условиях нашего эксперимента растения сорта Росинка формировали механизмы, защищающие зеленые пигменты от разрушения.

В условиях водного дефицита чистая продуктивность фотосинтеза снижалась у обоих сортов пшеницы, в большей степени - у сорта Омская 23.

Исследования по влиянию водного дефицита на фотосинтетические параметры показали, что растения пшеницы сорта Росинка более засухоустойчивы, что позволяет им поддерживать на высоком уровне содержание зеленых пигментов фотосинтеза и чистую продуктивность фотосинтеза.

Рост и продуктивность. В вегетационных опытах в условиях недостаточного водоснабжения ростовые показатели растений сорта Омская 23 были значительно меньше контрольных. На второй день водного дефицита наблюдалось резкое уменьшение длины побега и площади листовой поверхности (рис. 2).

45

0 Омская 23, 60% от ПВ а Омская 23, 30% от ПВ Н Росинка, 60% от ПВ О Росинка, 30% от ПВ

Второй Восьмой

День водного дефицита

Рис. 2. Влияние водного дефицита на площадь листьев сортов пшеницы Омская 23 и Росинка

После семи дней водного дефицита площадь листьев сократилась более значительно. В большей степени данные изменения происходили у пшеницы сорта Омская 23.

В этом же эксперименте в условиях низкого водообеспечения у исследуемых сортов пшеницы снизилось количество зерна в колосе, уменьшилась его масса. Более значительное снижение наблюдалось у сорта Омская 23 (табл. 2), что также дает основание говорить о меньшей засухоустойчивости сорта Омская 23.

В вегетационных опытах, когда периоды водного дефицита чередовались с периодами нормального водоснабжения растений пшеницы, важно было выяснить, какой из исследуемых сортов пшеницы быстрее восстанавливает свои ростовые процессы после перенесенного водного дефицита, а также установить различия продуктивности этих сортов пшеницы.

Таблица 2 - Влияние водного дефицита на продуктивность пшеницы сортов Росинка и Омская 23

Вариант Омская 23 Росинка

Количество зерна в колосе, шт. Масса зерна колоса, г Количество зерна в колосе, шт. Масса зерна колоса, г

60 % от ПВ 14 ±0,18 0,26 ± 0,015 12 ±0,54 0,18 ±0,007

30 % от ПВ 10 ±0,15"' 0,18 ± 0,004" 9 + 0,21" 0,16 ±0,008

Примечание: ** - различия достоверны при р = 0,01; *** - различия достоверны при р = 0,001.

25

2

о

Омская 23 Росинка

Рис. 3. Площадь листьев сортов пшеницы Омская 23 и Росинка после восстановления нормального водоснабжения

Из рис. 3 видно, что у растений, которые подвергались воздействию водного дефицита, восстановления процессов роста полностью не произошло. Однако сорт Росинка имел преимущество в процессах репарации, т. к. его ростовые показатели при недостаточном водоснабжении меньше отличались от показателей контрольных растений, чем таковые у сорта Омская 23. В условиях более жесткого воздействия стрессового фактора на растения не сформировались зерновки у обоих сортов.

Содержание эндогенных гормонов. Фитогормоны, являясь важными эндогенными регуляторами жизнедеятельности растений, исполняют роль трансдукторов сигналов внешней среды (Кефели и др., 1989; Кар-начук, Головацкая, 1998; Веселов и др., 1998; Кузнецов, 2002; Романов,

2009). Поэтому важно иметь картину баланса основных фитогормонов при водном дефиците у исследуемых сортов пшеницы.

В наших исследованиях в условиях достаточного водоснабжения в листьях трех верхних ярусов пшеницы сорта Росинка абсцизовой кислоты содержалось больше, чем в листьях сорта Омская 23. В условиях водного дефицита в листьях обоих сортов пшеницы происходило резкое снижение уровня зеатина и возрастало содержание абсцизовой кислоты (рис. 4а, б). При этом в листьях пшеницы устойчивого сорта Росинка увеличение содержания АБК было более значительным (на 25 %) по сравнению с сортом Омская 23 (на 9 %), менее устойчивым к засухе. Изучив изменение содержания эндогенного зеатина и АБК в листьях исследуемых сортов пшеницы, можно говорить о важной роли фитогормонов в регуляции устойчивости пшеницы к засухе.

_ 300

га о 8 %200

_ о

л 2

150

I £100 ||

а і 50 ■J

о н О га

♦ ♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦ ♦ ♦♦♦♦

Омская 23

Росинка

_ о -а о

о т

Г ° о

сч

а

о О

Омская 23

Росинка

□ 60% от ПВ П30% от ПВ і

Рис. 4. Влияние водного дефицита на содержание зеатина и его рибозида (я) и абсцизовой кислоты (б) в листьях пшеницы сортов Омская 23 и Росинка

На основе полученных данных о динамике эндогенного уровня фи-тогормонов актуальным становится вопрос о повышении засухоустойчивости растений пшеницы путем воздействия экзогенными аналогами фи-тогормонов. В этой связи были поставлены эксперименты по изучению действия кинетина, бензиламинопурина, картолина и гибберелловой кислоты на физиологические процессы пшеницы сортов- омской селекции.

Глава 5. ДЕЙСТВИЕ ЭКЗОГЕННЫХ ГОРМОНОВ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ С РАЗНОЙ ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ

Влияние экзогенных гормонов на водный обмен пшеницы. Исследовалось действие кинетина в вегетационных опытах в условиях различного водоснабжения. Растения испытывали водный дефицит начиная с фазы кущения и до конца вегетационного периода.

Обработка этим гормоном способствовала незначительному усилению транспирации у обоих сортов пшеницы в условиях нормального водоснабжения (60 % от ПВ). В условиях водного дефицита (30 % от ПВ) под действием кинетина значительно возросла интенсивность транспирации у растений пшеницы сорта Омская 23 по сравнению с контролем, тогда как у растений сорта Росинка осталась практически в пределах ошибки, что позволяет рассматривать это как способность устойчивых растений сохранять воду при гормональной нагрузке.

В аналогичных вегетационных опытах, где периоды нормального водоснабжения чередовались с водным дефицитом, изучалось влияние 6-БАП на физиологические процессы исследуемых сортов пшеницы.

На восьмой день после восстановления нормального снабжения водой и на десятый день после первой обработки цитокинином было показано, что под действием 6-БАП в вариантах 60 % от ПВ у обоих сортов пшеницы значительно увеличилась интенсивность транспирации. У растений, испытывающих водный дефицит, а затем переведенных на достаточный уровень водоснабжения, обработка бензиламипурином, наоборот, способствовала снижению интенсивности транспирации у обоих сортов пшеницы. Более высокой транспирацией в этот период отличался сорт Омская 23 (рис. 5).

Также были поставлены полевые опыты, в которых растения пшеницы в начале фазы трубкования обрабатывали растворами экзогенных регуляторов роста бензиламинопурина, картолина и гибберелловой кислоты.

Растения, обработанные бензиламинопурином, так же, как и растения, обработанные картолином, и в фазу трубкования, и в фазу колошения имели более высокую транспирацию, чем контрольные растения (рис. 6). Более отзывчивым на обработку картолином был сорт Омская 23. В дальнейшем к фазе колошения у обработанных растений интенсивность транспирации снижалась по сравнению с контролем.

а 60% от пз И 60% от ПВ + БАП В 30% от ПВ В 30% от ПВ + БАП

Омская 23

Росинка

Рис. 5. Влияние 6-бензиламинопурина на интенсивность транспирации пшеницы сортов Омская 23 и Росинка после восстановления влажности почвы

450

И Омская 23, контроль

□ Омская 23, 6-БАП

@ Омская 23, картолин

□ Росинка, контроль @ Росинка, 6-БАП

а Росинка, картолин__

Второй Шестнадцатый

День после обработки гормоном

Рис. 6. Влияние 6-бензиламинопурина и картолина на интенсивность транспирации подфлагового листа

Под влиянием гибберелловой кислоты у исследуемых сортов пшеницы интенсивность транспирации увеличивалась, особенно у сорта Омская 23.

Действие экзогенных гормонов на фотосинтез. Было исследовано суммарное содержание хлорофиллов в листьях и стеблях пшеницы сортов Омская 23 и Росинка. Обработка кинетином способствовала увеличению суммарного содержания хлорофиллов в листьях у пшеницы сорта Росинка в варианте с благоприятным водоснабжением (рис. 7). В условиях водного дефицита обработка кинетином способствовала накоплению зеленых пигментов фотосинтеза и, следовательно, повышению устойчивости в условиях стресса. Эта особенность проявилась и у пшеницы сорта Омская 23.

.о + я 3

ш 2,5

с; . п 5 Ч 5 ° А ш II 2 1,5

а 1

* а. а> 0,5 0

Листья Стебель

Н Омская 23, 60% от ПВ □ Омская 23, 60% от ПВ+КН Э Омская 23, 30% от ПВ ¡3 Омская 23, 30% от ПВ+КН а Росинка, 60% от ПВ □ Росинка, 60% от ПВ+КН Я Росинка, 30% от ПВ_____И Росинка, 30% от ПВ+КН

Рис. 7. Влияние кинетина на содержание суммы хлорофиллов у пшеницы сортов Омская 23 и Росинка в фазе трубкования через девять дней после обработки гормоном (КН - кинетин)

В условиях достаточного водоснабжения под действием кинетина значительно (на 53 %) возросла чистая продуктивность фотосинтеза у растений сорта Омская 23. В условиях водного дефицита в ответ на обработку кинетином на 31 % увеличилась чистая продуктивность фотосинтеза у сорта Росинка, как более засухоустойчивого. У сорта Омская 23 в этих условиях под действием кинетина чистая продуктивность фотосинтеза снижалась,

В следующих опытах, где периоды нормального водоснабжения чередовались с водным дефицитом, было исследовано влияние другого цитокинина - бензиламинопурина.

Через два дня после первой обработки 6-БАП наблюдалось увеличение содержания суммы хлорофиллов в листьях третьего яруса обоих сортов пшеницы в вариантах с достаточным увлажнением (табл. 3).

Таблица 3 - Влияние 6-БАП на содержание суммы хлорофиллов в третьем листе пшеницы сортов Омская 23 и Росинка в условиях различного водоснабжения

Вариант Содержание суммы хлорое )иллов, мг/г сухой массы

Омская 23 Росинка

60 % от ПВ 4,21 ±0,018 4,09 ± 0,024

60 % от ПВ + 6-БАП 4,60 + 0,116* 4,45 ± 0,067"

30 % от ПВ 3,34 ± 0,009*" 3,99 ± 0,055

30 % от ПВ + 6-БАП 3,74 ± 0,053"* 4,07 ± 0,027

Примечание: * - различия достоверны при р = 0,05; ** - различия достоверны при р = 0,01; *** - различия достоверны при р = 0,001.

Большая отзывчивость в этот период зафиксирована у пшеницы сорта Омская 23 в варианте с увлажнением почвы 30 % от ПВ. В этом эксперименте, так же как и в исследованиях с кинетином, в условиях водного дефицита обработка бензиламинопурином способствовала сохранению содержания зеленых пигментов у сорта Омская 23. Повторная обработка 6-БАП в условиях водного дефицита повысила содержание суммы хлоро-филлов только в листьях сорта Росинка, т. е. в этом случае проявились сортовые различия в ответ на воздействие цитокинином.

Надо отметить, что обработка 6-БАП дала хороший результат на растениях, которые перенесли водный дефицит, а затем были возвращены в условия достаточного водоснабжения. В связи с этим можно сделать вывод, что предварительная обработка 6-БАП способствует более быстрому и эффективному восстановлению синтетических процессов в растениях.

В полевых опытах было показано, что общее содержание хлорофил-лов как в фазу трубкования, так и в фазу колошения было больше у растений пшеницы, обработанных бензиламинопурином. Экзогенная обработка пшеницы 6-БАП положительно повлияла на сохранение и накопление хлорофиллов в органах растений, а следовательно, и на процесс фотосинтеза в целом.

Картолин способствовал увеличению содержания суммы хлорофиллов в растениях пшеницы. В фазу трубкования, через неделю после обработки физиологически активными веществами, наблюдалось увеличение чистой продуктивности фотосинтеза как под влиянием бензиламинопури-на, так и под действием картолина для обоих сортов (рис. 8).

Омская 23 Росинка

Рис. 8. Влияние картолина, 6-бензиламинопурина и гибберелловой кислоты на чистую продуктивность фотосинтеза сортов Пшеницы Омская 23 и Росинка (ГК - гибберелловая кислота)

В наших исследованиях подтвердилось сходство в физиологических эффектах картолина и цитокининов: картолин, как и 6-БАП, оказал положительное действие на содержание хлорофиллов и продуктивность фотосинтеза.

Под действием гибберелловой кислоты и в фазу трубкования, и в фазу колошения наблюдалось снижение содержания суммы хлорофиллов у обоих сортов пшеницы. Уменьшение содержания пигментов фотосинтеза в этот период не зависело ни от сорта, ни от метеорологических условий и, вероятно, было связано с активным ростом листьев и стебля. Однако обработка гибберелловой кислотой приводила к увеличению чистой продуктивности фотосинтеза пшеницы как для сорта Омская 23, так и для сорта Росинка (рис. 8).

Влияние экзогенных гормонов на рост и продукционный процесс. Рост и развитие растений регулируются рядом фитогормонов, каждый из которых специфически воздействует на метаболизм и продуктивность растений (Кулаева, 1982; Кефели, 1997; Карначук, Головацкая, 1998; Романов, 2009). При обработке синтетическими гормонами ответы могут быть неоднозначными. И одним из факторов таких ответов может являться уровень эндогенных гормонов.

В вегетационных опытах на фоне различного водоснабжения растения пшеницы обрабатывались кинетином.

Обработка кинетином и изменение уровня водоснабжения заметно отразились на гормональном статусе растений. Снижение уровня водоснабжения уменьшило содержание зеатина (3), зеатинрибозида (ЗР) и повысило уровень абсцизовой кислоты в листьях (рис. 9, 10). Более засухоустойчивый сорт пшеницы Росинка отличался большим содержанием АБК. Отношение 3 + ЗР / АБК под влиянием водного дефицита падало. На этом фоне снижались ростовые показатели сортов пшеницы. Обработка кинетином снижала в листьях пшеницы содержание АБК, увеличивала содержание зеатина и его рибозида, особенно у растений, выращиваемых в условиях водного дефицита. Под действием кинетина отношение 3 + ЗР / АБК

3350

Омская 23 Росинка

Рис. 9. Влияние кинетина на содержание зеатина и его рибозида в листьях пшеницы сортов Омская 23 и Росинка в условиях различного водоснабжения

возрастало, причем в большей степени у сорта Омская 23. В связи с этим в фазу молочной спелости под действием кинетина у сорта Омская 23 и в варианте с достаточным водоснабжением, и в варианте с водным дефицитом ростовые процессы протекали более интенсивно, чем в контроле. У сорта Росинка кинетин замедлял ростовые процессы во всех вариантах опыта. Таким образом, действие как кинетина, так и водного дефицита на ростовые процессы частично было опосредовано сходными изменениями в гормональном статусе растений (отношения 3 + ЗР / АБК).

Омская 23

Росинка

□ 60% от ПВ

В 60% от ПВ + Кинетин

□ 30% от ПВ

И30% от ПВ + Кинетин

Рис. 10. Влияние кинетина на содержание абсцизовой кислоты в листьях пшеницы сортов Омская 23 и Росинка в условиях различного водоснабжения

Изменения гормонального статуса растения регулировали продуктивность пшеницы (табл. 4).

Таблица 4 - Влияние кинетина на продуктивность пшеницы сортов Росинка и Омская 23 в условиях водного дефицита

Вариант Омская 23 Росинка

Количество зерна в колосе, шт. Масса зерна колоса, г Количество зерна в колосе, шт. Масса зерна колоса, г

60 % от ПВ 14 ±0,18 0,26 ±0,015 12 ±0,54 0,18 ±0,007

60 % от ПВ + кинетин 14 ±0,10 0,30 ± 0,007* 12 ±0,45 0,18 ±0,005

30 % от ПВ 10 ±0,15*" 0,18 ± 0,004" 9 + 0,21** 0,16 ±0,008

30 % от ПВ + кинетин 9 ± 0,26" 0,18 ±0,006 10 ±0,37* 0,17 ±0,002

Примечание: * - различия достоверны при р = 0,05; ** - различия достоверны при р = 0,01; *** - различия достоверны при р = 0,001

В условиях оптимального водоснабжения кинетин способствовал увеличению массы зерна колоса у сорта Омская 23, не меняя количество зерна в колосе. В условиях водного дефицита большую отзывчивость на кинетин проявил сорт Росинка. У данного сорта под действием кинетина увеличилось количество зерна в колосе, что характеризует сорт как более засухоустойчивый.

Бензиламинопурин способствовал восстановлению роста растений пшеницы сорта Омская 23 и мало влиял на растения пшеницы сорта Росинка, что могло быть связано с достаточно высоким уровнем эндогенных цитокининов, способствующих формированию большей засухоустойчивости этого сорта. Полученные в ходе эксперимента результаты еще раз подтвердили, что влияние регулятора роста растений зависит от сортовых особенностей, от условий выращивания растений, в частности от уровня водоснабжения.

В условиях водного дефицита под влиянием 6-БАП снизились ростовые показатели у обоих сортов пшеницы. Это согласуется с данными других авторов, показавших, что обработка растений бензиламинопури-ном может оказывать дополнительное отрицательное воздействие, накладывающееся на воздействие стрессового фактора (Веселое и др., 1998). В нашем эксперименте отрицательное действие фитогормона сильнее проявилось на сорте Омская 23. Растения сорта Росинка в этих условиях значительно меньше снизили свои ростовые показатели.

Наши исследования показали, что обработка растений бензилами-нопурином способствует более полному восстановлению их ростовых процессов после стресса.

Обработка растений 6-БАП в полевых условиях положительно повлияла на процессы роста и продуктивность обоих сортов пшеницы: произошло увеличение количества зерна в колосе и его массы.

Картолин в полевых условиях стимулировал ростовые процессы обоих сортов пшеницы, но более отзывчивым был сорт Омская 23. К моменту уборки урожая в менее благоприятные по количеству осадков годы растения, обработанные картолином, характеризовались повышенной продуктивностью.

В ходе нашего эксперимента под действием гибберелловой кислоты у исследуемых сортов пшеницы наблюдалось увеличение длины побега и площади листовой поверхности. У растений, обработанных гибберелли-ном, обнаружено увеличение количества зерна в колосе, в большей степени это было выражено у сорта Омская 23. Также у обоих сортов пшеницы под действием гиббереллина увеличилась масса зерна главного колоса.

ВЫВОДЫ

1. Изучение особенностей водного обмена и фотосинтеза пшеницы сортов омской селекции показало, что механизм засухоустойчивости у растений сорта Росинка связан с накоплением пролина и активной регуляцией

содержания воды в растении, обеспечивающими более высокую интенсивность роста и продуктивность в условиях водного дефицита.

2. В условиях водного дефицита в листьях обоих сортов пшеницы изменяется гормональный баланс, снижается уровень зеатина и зеатинри-бозида и отношение цитокинины/АБК. Засухоустойчивость пшеницы сорта Росинка обусловлена более высоким уровнем АБК, возможно контролирующим водный обмен и процессы репарации.

3. Экзогенный кинетин изменяет гормональный баланс растений пшеницы, увеличивая отношение цитокинины/АБК, что способствует увеличению содержания суммы хлорофиллов и темпов роста.

4. Действие другого цитокинина - бензиламинопурина - способствует увеличению чистой продуктивности фотосинтеза и скорости процессов репарации.

5. В полевых условиях обработка растений пшеницы в фазу труб-кования бензиламинопурином в концентрации 6,6 х 10"5 М и картолином 9,98 х 1СГ5 М повышает суммарное содержание хлорофиллов, чистую продуктивность фотосинтеза, массу растения и массу зерна у обоих сортов пшеницы. Это позволяет рекомендовать к использованию эти дозы синтетических регуляторов роста для повышения засухоустойчивости пшеницы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Широкова Н. П. Влияние гибберелловой кислоты на темпы роста и продуктивность растений двух сортов яровой мягкой пшеницы // Вестник Томского государственного университета. - 2007. -№ 302. - С. 231-232.

2. Широкова Н. П. Действие картолина на содержание хлорофилла, рост и продуктивность сортов пшеницы Омская 23 и Росинка // Вестник Томского государственного педагогического университета. - 2010. -Вып. 3(93).-С. 18-21.

В других научных изданиях:

3. Широкова Н. П. Особенности реакции сортов яровой пшеницы на недостаток водоснабжения и обработку регуляторами роста // Биология и экология растений. - Тамбов: Изд-во Тамбов, гос. ун-та, 1996. - С. 85-89.

4. Широкова Н. П. Влияние гибберелловой кислоты на физиологические процессы растения пшеницы в зависимости от сорта // Влияние физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных культур. - Орехово-Зуево: Изд-во Орехово-Зуевского пед. ин-та, 1996. -С. 15.

5. Широкова Н. П. Влияние картолина на рост и физиологические процессы двух сортов яровой пшеницы // Интродукция, акклиматизация и культивация растений. - Калининград: Изд-во Калининград, гос. ун-та, 1996.-С. 72-75.

6. Широкова Н. П. Различия в реакции сортов яровой пшеницы на изменения водоснабжения и обработку кинетином // Регуляторы роста и развития растений: тезисы докл. 4 Междунар. конф. 24-26 июня 1997 г. -М.: Изд-во ТСХА, 1997. - С. 238-239.

7. Широкова Н. П. Влияние недостаточного водоснабжения на ростовые процессы и продуктивность сортов пшеницы // Ученые записки биологического факультета ОмГПУ. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 1997. - Вып. 2, ч. 1,-С. 53-57.

8. Широкова Н. П. Методика исследования ростовых процессов, водного обмена, содержания цитокининов и абсцизовой кислоты у растений пшеницы // Методология и методика естественных наук. - Омск: ОмИПКРО: Изд-во ОмГПУ, 1998. - Вып. 3. - С. 81-85.

9. Широкова Н. П. Различия в реакции сортов пшеницы на обработку кинетином // Регуляторы роста и развития растений: тезисы докл. 5 Междунар. конф. 29 июня - 1 июля 1999 г.: в 2 ч. - М.: Изд-во ТСХА, 1999,-4.2.-С. 279.

10. Широкова Н. П. Влияние кинетина на гормональный баланс, рост и продуктивность сортов пшеницы в условиях недостаточного водоснабжения // Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях: тезисы докл. 6 Междунар. конф. 26-28 июня 2001 г. - М.: Изд-во МСХА, 2001.-С. 133-134.

11. Широкова Н. П. Действие кинетина на рост и продуктивность сортов пшеницы в условиях различного водоснабжения // Естественные науки и экология: межвуз. сб. науч. тр. Ежегодник. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2001.-Вып. 6.-С. 74-77.

12. Широкова Н. П. Значение баланса фитогормонов в регуляции физиологических процессов у пшеницы в условиях недостаточного водоснабжения // Тезисы докл. 5 съезда Общества физиологов растений России и Междунар. конф. «Физиология растений - основа фитобиотехноло-гии». - Пенза, 2003. - С. 361.

13. Гейнц Т. И., Широкова Н. П. Влияние эпибрассинолида на засухоустойчивость сортов пшеницы // Экология 2003: тезисы молодежной междунар. конф. 17-19 июня 2003 г., Архангельск. - Архангельск, 2003. - С. 99.

14. Широкова Н. П. Влияние 6-БАП на ростовые показатели и продуктивность растений двух сортов пшеницы // Проблемы физиологии растений Севера: тезисы докл. междунар. конф. 15-18 июня 2004 г., Петрозаводск. — Петрозаводск, 2004. - С. 206.

15. Широкова Н. П., Иванищева О. А. Оценка засухоустойчивости сортов пшеницы путем проращивания семян на растворах сахарозы // Регуляция продукционного процесса сельскохозяйственных растений. - Орел, 2005.

16. Широкова Н. П. Влияние водного дефицита на содержание пролива в листьях пшеницы двух сортов // Естественные науки и экология: межвуз. сб. науч. тр. Ежегодник. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2008. - Вып. 13. -С. 71-73.

17. Широкова Н. И Влияние картолина на ростовые процессы и продуктивность сортов пшеницы // Тезисы докл. Годичного собрания Общества физиологов растений России и Междунар. науч. конф. «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера». - Апатиты, 2009. - С. 366-368.

18. Широкова Н. П. Реакция сортов яровой пшеницы (ТгШсит ае$й\ит Ь.) на обработку 6-БАП в условиях водного дефицита // Растение и стресс: тезисы докл. Всерос. симпозиума. - М.: Ин-т физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН, 2010. - С. 395-397.

Автор выражает сердечную благодарность своим научным руководителям: д-ру биол. наук, профессору Н. И. Якушкиной и д-ру биол. наук, профессору Р. А. Карначук — за большую всестороннюю помощь при выполнении работы. Огромную признательность автор выражает сотрудникам кафедры физиологии растений и биотехнологии Национального исследовательского Томского государственного университета: д-ру биол. наук, профессору И. Ф. Головацкой и д-ру биол. наук, профессору О. В. Карначук - за помощь и консультации при оформлении работы. Автор благодарит за помощь при выполнении данной работы сотрудников лаборатории регуляторов роста растений при МСХА им. К. А. Тимирязева: канд. биол. наук Н. П. Карсункину, канд. биол. наук И. В. Скоробогатову; а также старшего научного сотрудника Главного ботанического сада им. Н. В. Ци-цина РАН канд. биол. наук Л. В. Рункову и заведующую кафедрой ботаники Орловского государственного университета д-ра биол. наук, профессора Т. И. Пузину. Особую признательность автор выражает сотрудникам БНЦ РАН: д-ру биол. наук, профессору Г. Р. Кудояровой и д-ру биол. наук, профессору С. Ю. Веселову - за предоставленные наборы для ИФА; а также руководителю селекционного центра ГНУ СибНИИСХ д-ру с.-х. наук, профессору Р. И. Рутцу за предоставленные семена пшеницы и заведующему лабораторией ВНИИХЗР д-ру хим. наук, профессору Ю. А. Баскакову за предоставленный картолин. Автор искренне благодарен студентам, помогавшим в работе, всем коллегам, принимавшим участие в обсуждении работы и помогавшим в ее подготовке к защите. Особую благодарность автор выражает своей маме Л. Г. Широковой за ее терпение и всестороннюю поддержку на протяжении всех лет работы над диссертацией.

Подписано в печать 20.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ П-764.

Издательство ОмГПУ. Отпечатано в типографии ОмГПУ, Омск, наб. Тухачевского, 14, тел./факс: (3812) 23-57-93

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Широкова, Наталья Петровна, Томск

0 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ШИРОКОВА НАТАЛЬЯ ПЕТРОВНА

УДК 577.175.1:632.163:633.12 (571.13)

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ И РОЛЬ ФИТОГОРМОНОВ В ЕЕ РЕГУЛЯЦИИ У СОРТОВ РОСИНКА И ОМСКАЯ 23

специальность 03.01.05. физиология и биохимия растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Н.И. Якушкина

доктор биологических наук,

профессор Р.А. Карначук

Томск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАСТЕНИЯХ ПРИ ВОДНОМ ДЕФИЦИТЕ 10

1.1. Физиологические основы засухоустойчивости 10

1.2. Роль водного обмена растений для продукционного процесса 20

1.3. Зависимость роста и фотосинтеза от состояния водного баланса растения 24 ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ЭКЗОГЕННЫХ ФИТОГОРМОНОВ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И АДАПТАЦИЮ РАСТЕНИЙ К ЗАСУХЕ 33

2.1. Действие экзогенных гормонов на фотосинтез 34

2.2. Действие экзогенных гормонов на рост и продуктивность растений 40 ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 45

3.1. Объекты исследования 45

3.2. Методы исследования 46 ГЛАВА 4. ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ ОМСКОЙ СЕЛЕКЦИИ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТИ 52

4.1. Показатели водного обмена исследованных сортов пшеницы 52

4.2. Фотосинтез двух сортов пшеницы 61

4.3. Рост и продуктивность сортов пшеницы, отличающихся по засухоустойчивости 66

4.4. Содержание эндогенных гормонов у сортов пшеницы, различающихся по засухоустойчивости 77 ГЛАВА 5. ДЕЙСТВИЕ ЭКЗОГЕННЫХ ГОРМОНОВ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ С РАЗНОЙ ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ 80

2

5.1. Влияние кинетина, 6-безиламинопурина, картолина и гибберелловой кислоты на водный обмен пшеницы 80

5.2. Действие экзогенных гормонов на фотосинтез пшеницы сортов Росинка и Омская 23 91

5.3. Влияние экзогенных гормонов на рост и продукционный процесс пшеницы с разной засухоустойчивостью 101

5.4. Влияние экзогенных гормонов на содержание эндогенных гормонов у сортов пшеницы Омской селекции, различающихся

по засухоустойчивости 119

ВЫВОДЫ 122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123

Введение

Актуальность проблемы. Засухоустойчивость растений - это комплексный признак, связанный с целым рядом физиологических особенностей. Она складывается из способности растения противостоять обезвоживанию и, часто, перегреву (Максимов, 1926).

Изучению влияния данных факторов среды на растения посвящено большое количество исследований (Максимов, 1952; Генкель, 1982; Blum, 1996; Чиркова, 2002; Гончарова, 2005). Однако до настоящего времени не удалось создать целостную физиолого-генетическую модель признака засухоустойчивости, основанную на понимании биологических реакций растений, адекватно отражающих процессы адаптации и формирования урожая в условиях длительного обезвоживания тканей. По-прежнему, актуальной задачей для физиологии растений остается выяснение биологических закономерностей адаптации растений к обезвоживанию.

Имеются данные, что процессы адаптации растений происходят в тесной

связи с изменениями гормонального статуса растений (Полевой, Саламатова,

1997; Веселов, Лобов и др., 1998; Шакирова, 2001; Веселова, Фархутдинов,

2006). Фитогормоны, влияя на физиологию и морфологию растений,

усиливают адаптивные возможности и приспособительные реакции

растительного организма к неблагоприятным факторам среды (Якушкина,

1985; Тарчевский, 2002, Davies, 2007). Для адаптации растений к

неблагоприятным условиям среды применяют прямое воздействие на

растения веществами гормональной природы (Кефели, Коф, 1989; Кулаева,

Кузнецов, 2002; Романов, Медведев, 2006). Особую роль в регуляции

водного режима, адаптации растений к недостаточному водоснабжению

играет абсцизовая кислота (Бахтенко, Якушкина, 1995 (a); Leung, Giraudat,

1998; Härtung, Sauter et al., 2002; Новикова, Степанченко и др., 2009),

имеются, также, данные о значении в этом отношении цитокининов

(Кулаева, 1973; Веселова, Фархутдинов, 2006; Dodd, Davies, 2007; Романов,

2009). Физиологически активные вещества действуют на растения

4

избирательно. В различных почвенно-климатических условиях их влияние на рост и развитие растительных организмов неодинаково. Действие веществ гормональной природы на растение, также, зависит от видовых, сортовых особенностей и физиологического состояния растений (Кудоярова, 1991; Кулаева, Кузнецов, 2002; Авальбаев, Юлдашев, 2006; Романов, 2009).

Изучение процессов роста и развития растений в условиях водного дефицита и понимание роли фитогормонов и их синтетических аналогов в продукционном процессе не теряет своей актуальности и в настоящий момент (Гончарова, 2005; Чижова, Павлова, 2005). С физиологической точки зрения чрезвычайно важно установить чувствительность различных процессов жизнедеятельности и последовательность их нарушения у растений при засухе, а также роль фитогормонов в засухоустойчивости злаков, в том числе важнейшей культуры - пшеницы, ареал возделывания которой приходится в основном на зоны, периодически страдающие от недостатка влаги и высоких температур.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось выяснение физиологических ответов растений пшеницы омской селекции на пониженное водоснабжение, изучение роли фитогормонов в регуляции основных физиологических процессов при водном дефиците, а так же возможности использования их синтетических аналогов для повышения засухоустойчивости растений.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить особенности водного обмена, фотосинтеза (содержание суммы хлорофиллов, чистую продуктивность фотосинтеза) и роста при водном дефиците у растений пшеницы сортов Росинка и Омская 23, отличающихся по продуктивности.

2. Определить уровень и соотношение эндогенных фитогормонов (абсцизовой кислоты и цитокининов) в данных сортах пшеницы в условиях разного водоснабжения.

3. Проанализировать влияние экзогенного цитокинина (кинетина) на уровень эндогенных АБК и цитокининов у сортов пшеницы Омская 23 и Росинка в разных условиях водоснабжения.

4. Исследовать действие экзогенных гормонов (6-бензиламинопурина, кинетина, картолина, гибберелловой кислоты) на водный режим, фотосинтез (содержание суммы хлорофиллов, чистую продуктивность фотосинтеза), рост и продуктивность пшеницы сортов омской селекции в условиях разного водоснабжения и возможность их использования для повышения засухоустойчивости растений.

Защищаемые положения.

1. Изменения водного обмена, ростовых процессов и фотосинтеза лежат в основе механизма засухоустойчивости растений пшеницы сортов омской селекции. Устойчивость пшеницы сорта Росинка связана с накоплением пролина и активной регуляцией содержания воды в растении, обеспечивающими более высокую интенсивность роста и продуктивность в условиях водного дефицита.

2. Эндогенные фитогормоны АБК и цитокинины (зеатин и зеатинрибозид) являются важными регуляторами засухоустойчивости пшеницы на примере сортов омской селекции.

3. Экзогенные гормоны 6-БАП (4,4х10-5 - 6,6х10"5 М) и картолин (9,98х1СГ5 М) повышают засухоустойчивость яровой пшеницы сортов омской селекции и могут быть перспективными регуляторами продуктивности пшеницы при водном дефиците.

Научная новизна. Впервые изучены особенности физиологических функций и роль фитогормонов в регуляции разных по засухоустойчивости сортов яровой пшеницы омской селекции. Показана роль АБК, цитокининов и пролина в регуляции водного обмена, роста и фотосинтеза яровой пшеницы сортов Омская 23 и Росинка в условиях водного дефицита. При этом у более засухоустойчивого сорта Росинка уровень АБК выше. Исследования вносят

6

вклад в понимание роли фитогормонов (цитокининов и абсцизовой кислоты) в регуляции роста, продуктивности и устойчивости растений яровой пшеницы к засухе. Полученные результаты позволяют рекомендовать синтетические аналоги фитогормонов 6-БАП и картолин для использования в практическом растениеводстве данной культуры.

Практическая значимость работы. Выявленные особенности уровня эндогенных АБК и цитокининов пшеницы разных сортов омской селекции в условиях водного дефицита позволяют рекомендовать этот показатель в качестве теста в селекционной работе при получении засухоустойчивых сортов пшеницы. Полученные результаты по засухоустойчивости сортов пшеницы Омская 23 и Росинка дают основание рассматривать Росинку как более засухоустойчивый сорт и рекомендовать его при культивировании в условиях засушливого климата. Данные исследований позволяют рекомендовать использование синтетических регуляторов роста 6-БАП и картолина для увеличения продуктивности зерновых культур в условиях засухи.

Полученные результаты используются при чтении курса «Физиология растений», спецкурсов «Фитогормоны», «Системы регуляции у растений» и «Физиология устойчивости растений» для биологов педагогических университетов.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на конференции «Влияние физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных культур» (Орехово-Зуево, 1996), на 4 Международной конференции "Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 1997), 5 и 6 Международных конференциях "Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях" (Москва, 1999 и 2001), на 5 съезде Общества физиологов растений России и Международной конференции «Физиология растений — основа фитобиотехнологии (Пенза, 2003), на Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера

(Петрозаводск, 2004), Молодёжной Всероссийской школе-семинаре

7

«Современные фундаментальные проблемы физиологии и биотехнологии растений и микроорганизмов» (Томск, 2008), Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» (Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, среди них 8 статей, две из них в журналах, рекомендованных ВАК и 10 материалов конференций.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментальных работ, в обработке и анализе полученного материала.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 151 странице машинописного текста; содержит 30 таблиц, 40 рисунков и состоит из введения, обзора литературы (2 главы), экспериментальной части (3 главы), выводов. Список литературы включает 298 наименований, из них 92 на иностранном языке.

* * *

Автор выражает сердечную благодарность своим научным руководителям

профессору, д.б.н., Н.И. Якушкиной и профессору, д.б.н., P.A. Карначук за

большую всестороннюю помощь при выполнении работы. Огромную

признательность автор выражает сотрудникам кафедры физиологии растений

и биотехнологии Национального исследовательского Томского

государственного университета профессору, д.б.н. И.Ф. Головацкой и

профессору, д.б.н. О.В. Карначук за помощь и консультации при оформлении

работы. Автор благодарит за помощь при выполнении данной работы

сотрудников лаборатории регуляторов роста растений при МСХА им. К.А.

Тимирязева к.б.н. Н.П. Карсункину, к.б.н. И.В. Скоробогатову, старшего

научного сотрудника Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН

к.б.н. Л.В. Рункову, заведующего кафедрой ботаники Орловского

государственного университета профессора, д.б.н., Т.И. Пузину. Особую

признательность автор выражает сотрудникам БНЦ РАН профессору, д.б.н.

Г.Р. Кудояровой и профессору, д.б.н. С.Ю. Веселову за предоставленные

8

наборы для ИФА, руководителю селекционного центра ГНУ СибНИИСХ профессору, д.с.-х.н. Р.И. Рутцу за предоставленные семена пшеницы, заведующего лабораторией ВНИИХЗР, профессора, д.х.н. Ю.А. Баскакова за предоставленный картолин. Автор искренне благодарен студентам, помогавшим в работе, всем коллегам, принимавшим участие в обсуждении работы и помогавшим в её подготовке к защите. Особую благодарность автор выражает своей маме Л.Г. Широковой за её терпение и всестороннюю поддержку на протяжении всех лет работы над диссертацией.

Глава 1. Засухоустойчивость и физиологические процессы в растениях

при водном дефиците 1.1. Физиологические основы засухоустойчивости

Исследованию водного режима и засухоустойчивости растений посвящены многие научные работы (Альтергот, 1960; Алексеев, 1969; Генкель, 1978; Пустовойтова, 1978; Шматько, Григорюк и др., 1989; Кушниренко, Печерская, 1991; Barties, Furuni et al., 1996; Blum, 1996; Гончарова, 2005). Значительную роль в деле изучения этих вопросов сыграли исследования H.A. Максимова (Максимов, 1926; 1952). В 1926 году вышла его известная монография "Физиологические основы засухоустойчивости растений", в которой был обобщен огромный фактический экспериментальный и теоретический материал по данной проблеме.

Н. А. Максимов определил засухоустойчивость как способность растения переносить без вреда или лишь с незначительным вредом для себя достаточно глубокое обезвоживание своих тканей. Согласно определению Максимова, устойчивость растений к засухе определяется их способностью восстанавливать ростовые процессы после нормализации водоснабжения (Максимов, 1952). П.А. Генкель охарактеризовал засухоустойчивость, как способность растения противостоять обезвоживанию и перегреву. Засухоустойчивость, по его мнению, является комплексным свойством, результатом возникновения, развития и воспроизведения адаптивных перестроек у организмов в процессах онтогенеза и филогенеза (Генкель, 1982). Это свойство, приобретенное растением в филогенезе, значительно повышается при адаптации растения к засухе в процессе онтогенетического развития. Засухоустойчивыми можно назвать растения, способные в условиях засухи осуществлять нормальный рост, развитие и воспроизведение. Однако надо правильно понимать, что нормальное воспроизведение, то есть формирование урожая, совсем не означает максимальный урожай. При сильном водном дефиците уменьшается урожай

любого растения, в том числе и ксерофита.

10

Характер ответной реакции растений в условиях дефицита влаги в почве определяется многими факторами: скоростью, глубиной и продолжительностью обезвоживания или перегрева, условиями минерального питания, биологическими особенностями растений (Шматько, Григорюк и др., 1989; Шевелуха, 1992; Barties, Furuni et al., 1996).

В каждой клетке растительного организма протекает множество разнообразных химических реакций, которые согласованы между собой по времени, скорости и месту протекания. Эта согласованность достигается благодаря разнообразным внутриклеточным и внеклеточным системам регуляции. Для любой клетки важно сохранить свой внутриклеточный состав, несмотря на воздействия экстремальных факторов среды.

Адаптация растений к различным неблагоприятным факторам связана с регуляцией обмена веществ в изменившихся условиях. Сущность любой адаптации как процесса сводится к поддержанию структурной и функциональной устойчивости живой системы, обеспечивающей онтогенез и образование репродуктивных органов в изменяющихся условиях среды. Адаптивные процессы реализуются как на генном, так и на цитоплазматическом уровне (Blum, Ebercon Adelina, 1981; Войников, Иванова, 1984; Мокроносов и др., 1992; Косулина и др., 1993; Taylor, 1996; Кузнецов, Шевякова, 1999; Чиркова, 2002).

В настоящее время установлено, что устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды, в том числе к обезвоживанию, и способность к адаптации зависят от характера генома, его емкости и реализации его потенций в процессе онтогенеза (Сатарова, 1978; Levitt, 1980; Романов, 2009).

В адаптационном процессе можно выделить две основные стадии: стресс-

реакцию (неспецифические реакции) и специализированную адаптацию -

специфические реакции (Кузнецов, Кимпел и др., 1987; Пахомова, 1995;

Таланова, Титов и др., 1997; Шакирова, 2001). На первой стадии имеет место

мобилизация или формирование защитных систем, обеспечивающих

И

кратковременное выживание организма в условиях повреждающего действия стрессора. На второй стадии происходит формирование специализированных адаптационных механизмов, ответственных за протекание онтогенеза в условиях длительного действия стрессорного фактора (Кузнецов, 1992; Kuznetsov, Shevyakova, 1997; Читркова, 2002).

В основе способности растений адаптироваться к воздействию стрессовых факторов разной природы лежат изменения в генной активности. Неблагоприятные факторы окружающей среды обычно на фоне торможения клеточного метаболизма вызывают индукцию экспрессии ряда генов, в частности, кодирующих стрессовые белки, синтез которых в растениях в нормальных условиях произрастания обычно не наблюдается (Кузнецов, 2001; Войников, Боровский и др., 2004). Среди них особое место принадлежит дегидринам, экспрессия генов, которых и накопление их белковых продуктов индуцируется в условиях засухи, вызывающей нарушение водного режима (Close, 1996; �