Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ НА УСЛОВИЯ КОРНЕВОЙ ГИПОКСИИ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ НА УСЛОВИЯ КОРНЕВОЙ ГИПОКСИИ"

/ - 8sm

На правах рукописи

СИНЯВИН Михаил Степанович

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ НА УСЛОВИЯ КОРНЕВОЙ ГИПОКСИИ

Специальность 03.00.12 — физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре физиологии растений Московской сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева (МСХА)

Научный руководитель- заслуженный деятеть науки РФ, член-корр РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Третьяков Н. Н.

Официальные оппоненты доктор биологических наук

Гринева Галина Михайловна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Шевченко Виктор Александрович

Ведущая организация Государственное научное учреждение НИИ Сельского хозяйства Нечерноземной зоны РФ

Защита состоится 2005г в « часов

на заседании диссертационного совета Д 220 043 08 при Московской сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева

Адрес. 127550, г Москва, ут Тимирязевская, 49 Ученый совет МСХА им К А Тимирязева

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ЦНБ МСХА

Автореферат разослан « » 2005г

Учёный секретарь _ уу /

t_ ' о

диссертационного совета - / k --

Н. П. Kapcyin

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одна из центральных проблем современной физиологии растений — проблема биологического саморегулирования (Курса-нов, 1972), важным проявлением которого является адаптация растений к действию неблагоприятных факторов среды.

Изучение вопросов адаптации растений к недостатку кислорода (гипо- и аноксии) не менее важно, чем исследование их приспособительных реакций на действие иных факторов внешней среды. Однако по сравнению с другими внешними воздействиями на растительный организм, представления о механизмах адаптации к которым к настоящему времени в общих чертах разработаны, исследования адаптации растений к дефициту кислорода проводились не столь интенсивно. Между тем, условия гипоксии часто создаются естественным путём или в результате хозяйственной деятельности человека. Так, временное или постоянное переувлажнение, снижающее содержание кислорода в почве, типично для значительной территории РФ и стран СНГ (Бело-русь, Украина, Сибирь, Дальний Восток). По данным Е.К.Белецкой (1979) только в Нечернозёмной зоне России имеется около 23 млн.га. почв, заболоченных или испытывающих временное переувлажнение. Гипоксия возникает также при образовании ледяной корки, уплотнении почвы, в процессе орошаемого землепользования. В таких условиях происходит потеря всхожести семян, изреживание посевов, понижение продуктивности растений. Изучение влияния пониженного содержания кислорода на обмен веществ важно при выращивании растений в условиях гидропоники, особенно в малообъёмном её варианте, при разработке условий хранения сельскохозяйственных продуктов. Решение перечисленных проблем имеет особое значение, так как все они непосредственно касаются сельскохозяйственного производства и, поэтому влияют на продовольственную безопасность нашей Родины.

Необходимостью решения данных проблем объясняется возросший интерес учёных к исследованию анаэробиоза растений, который наблюдается в последние тридцать лет (Бюллетень общества физиологов растений, вып.9, 2004). Различные аспекты проблемы устойчивости к дефициту кислорода успешно разрабатывали и разрабатывают как отечественные исследователи (А.Л.Курсанов, Б.Б.Вартапетян, Г.М.Гринёва, Т.В.Чиркова, А.А.Землянухин, Е.Д.Остаплкж, З.Г.Ракитина, В.Е.Космакова и др.). так и зарубежные (М.Джексон, Р.Крауфорд, В .Армстронг, Д.Хук, Д.Рейд, А.Праде и др.). За последнее время достигнут определённый прогресс в изучении некоторых важных направлений влияния на растения кислородного стресса: интенсивно изучаются пути метаболизма углеводов и конечные продукты анаэробиоза, метаболизм белков, гормоны и их роль, энергетика клетки, регуляция ферментов метаболизма, транспорт молекулярного кислорода, процессы пере-кисного окисления липидов (ПОЛ), структура и функции митохондрий, осо-, бенности-роота и радвщия кирн^И надземных.органов в условиях корневой гипоксрга и анс*#Мй 1^Се!4Асы Меж (ународного симпо^^^ппанаэрооилзу

рации

*—..... РЫ|

растений, 2000, Съезд физиологов в г. Пенза, 2004г.). Однако, некоторые важные вопросы жизнедеятельности растений в условиях недостаточной аэрации еще ждут своего решения

Таким образом, актуальность, с одной стороны, и недостаточная разработанность, с другой, определяют необходимость проведения наших исследований, направленных на изучение ответных реакций растений на гипоксию.

Дели и задачи исследований. Изучить действие затопления корнеоби-таемой среды на физиологическое состояние и продуктивность растений пшеницы различных сортов При этом были поставлены следующие задачи

• На примере разных по устойчивости к абиотическим факторам среды сортов яровой и озимой пшеницы выявить и изучить общие и специфические адаптивные реакции растений к стрессору в разные периоды онтогенеза и последующие репаративные процессы

• Провести сравнительное изучение ответных реакций растений пшеницы на гипоксию и аноксию, вызываемых переувлажнением и переуплотнением в корнеобитаемой среде

• Провести сравнительное изучение и усовершенствование ряда рекомендованных методов диагностики устойчивости растений к гипоксии

• Изучить действие некоторых физиологически активных веществ (ФАВ) на устойчивость яровой пшеницы к действию гипоксии

Научная новнзна. С использованием динамического подхода, была изучена биоэлектрическая реакция растений пшеницы на нарастающую гипоксию при параллечьном изучении биосинтеза этилена, изучена возможность использования биоэлектрических потенциалов растений (БЭП) для разделения сортов на биотипы по их устойчивости к искусственной гипоксии

Усовершенствована методика измерения РП с целью исключения дрейфа потенциала при продолжительном измерении Для этого в установку включена емкость с изотоническим раствором (рис I)

Определена корреляционная зависимость между разностью БЭП и интенсивностью фотосинтеза при затоплении, создаваемом в полевых условиях В комплексном полевом эксперименте на большом наборе сортов, относящихся к различным группам по генетической устойчивости, изучались общие и специфические ответные реакции на различные стресс-факторы, создаваемые искусственно, а также динамика аминокислотного и ионного баланса растений

Отработана методика проведения ряда физиолого — диагностических анализов, выполненных в полевых опытах и в лабораторных условиях при действии различных стрессоров на сортах яровой пшеницы

Апробация работы. Материал работы докладывался на конференциях молодых учёных МСХА в 1995 и 1997 гг, был представлен на стендовом докладе на IV Съезде физиологов, 2000г по материалам диссертации опубликовано 8 статей

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 199 страницах печатного текста, включает 18 таблиц, 16 рисунков и 12 фотографий. Список цитируемой литературы содержит 398 наименования, в том числе 158 иностранных авторов. '

Объекты и методы исследований

Проводились лабораторные, вегетационные и полевые опыты (табл.1).

Для основных экспериментов были выбраны сорта яровой пшеницы: Энита, Белорусская 80, Кутулукская и озимый сорт Мироновская 808. Сорта Белорусская 80 и Кутулукская по результатам предыдущих работ (Карнаухова и др., 1994) были идентифицированы, соответственно, как относительно устойчивый и относительно неустойчивый сорт к условиям корневой гипоксии. Объектами полевого опыта были растения яровой пшеницы 24 сортов, среди которых имелись сорта с различной устойчивостью к отдельным факторам или комплексу факторов среды. Данные сорта были получены из коллекции ВИР, некоторые сорта-селекции МСХА и РУДН.

Лабораторные опыты проводили в лаборатории «Фитотрон», в камере искусственного климата и ламинар-боксе (LAN-3). В качестве источников света применялись лампы ДРИ-2000 (в камерах) и ЛДЦ-40 (в ламинар-боксе), освещённость в камерах была на уровне 35клк., в ламинар-боксе - 17клк. Температура днём 26-27°С, ночью - 23-24°С. Продолжительность светового периода в климатических камерах составляла 12 часов, в ламинар-боксе освещение было непрерывным.

В лабораторных опытах изучали связь между изменениями разности биоэлектрического потенциала (РП) растений при нарастающей гипоксии корнеобитаемой среды и появлением в тканях эндогенного этилена, изучали устойчивость отдельных растений внутри сорта к нарастающей гипоксии. Измеряли в динамике интенсивность дыхания корней в условиях нарастающей гипоксии, вычислялся дыхательный коэффициент. Также, с использованием динамического подхода, изучали фотосинтез растений пшеницы и его корреляцию с концентрацией хлорофилла. Изучалась устойчивость клеточных мембран корней к действию гипоксии и аноксии, влияние на их устойчивость никотиновой кислоты. БЭП отводили хлорсеребряными электродами ЭВЛ-1М, в качестве измерителя использовали высокоомный милливольтметр И-130, запись показателей проходила на самописце КСП-4.

Таблица 1.

Схема опытов

№ Цель опыта Изучаемый фактор Учитываемые показатели

Лабо раторные опыты

1 Изучить динамику БЭП и накопления эндогенного этилена при нарастающей гипоксии Нарастающая ги- 1 динамика БЭП, концентрация поксия (пропусха- 1 .. ние азота через пи эгатена в надземной части и в тательный р — р) корнях

Провести массовое определение устойчивости растений модельных сортов к нарастающей гипоксии Нарастающая ги поксия(пропуска ние азота через питательный р — р) Динамика БЭП концентрация кислорода в питательном растворе

3 Изучить динамику фотосинтеза при нарастающей гипоксии Нарастающая гипоксия Интенсивность фотосинтеза флаговых листьев

4 Изучить устойчивость мембран корней проростков к действию аноксии Острая анокскя (вытеснение воздуха из камер азотом) Коэффициент vcтoйчивocти мембран

5 Изучить влияние никотиновой кислоты на устойчивость корней к гипоксии Нарастающая ги поксия (пропуска ние азота через пи тательный р р > Коэффициент устойчивости мембран

Вегетационный опыт

6 Изучить влияние б-БАП на устойчивость пшеницы к гипоксии Затопление со- i „ Валовое содержание пектро-судов с расте- ' . , , татов динамика дыхания, фо-нияминаЫ , г—, г-. т тосинтеза и БЭП днеЛ

Полевые опыты

7 Из) чить общие и специфические ответные реакции набора сортов яровой пшеницы на различные стрессоры Заточение на фазах кущения и трубко-вания на 14 дней Интенсивность фотосинтеза, содержание эчектр-тов в узлах кушения, ионов К", Ма\ С1, N03 в чистьях, аминокисют-ный состав урож данные

8 Изучить влияние СаОг на устойчивость растений к гипоксии Затопление на 14 дней Биометрические и урожайные данные

Референтный электрод был снабжен дополнитетьным фитилем, повышающим продолжительность и точность измерений (рис 1) Фитиль был смочен изотоническим раствором KCl, который по осмотической концентрации был близок к клеточному соку Концентрацию раствора подбирали исходя из уравнения Вант — Гоффа P=CRTi, где С - концентрация раствора, R -газовая постоянная, Т — абсолютная температура, i - изотонический коэффициент Интенсивность выделения этилена определяли методом газожидкостной хроматографии (Крейсберг и др, 1983) на газовом хроматографе Carlo Erba HRGG 5300 (Италия) Содержание кислорода в питательном растворе определяли химическим методам Винклера, концентрацию углекислого газа -колориметрическим методом (Инструкция по химическому анализу воды прудов, 1985)

I

Рис. 1 Установка для изучения биоэлектрической реакции растений пшеницы на нарастающую гипоксию

В опытах с водной культурой использовали литровые стеклянные сосуды. В каждом из сосудов выращивали по 5 растений. Растения вначале развивались на 0,5 н. питательной смеси Кнопа, спустя неделю их переводили на полную питательную смесь. Кроме того, в опытах с аноксией в качестве объекта были использованы шестидневные проростки, выращенные в чашках Петри.

Вегетационный опьгг проводился в вегетационном домике кафедры агрохимии и почвоведения МСХА. В качестве объектов использовались два сорта яровой пшеницы: Белорусская 80 и Кутулукская. Целью эксперимента было выявить возможность с помощью экзогенной обработки надземной части растений пшеницы препаратом цитокининового типа действия 6-БАП стимулировать постгипоксическую реабилитацию растений, подвергаемых действию гипоксии, вызванной затоплением водой корневой системы. В ходе эксперимента в постгипоксический период определяли динамику интенсивности дыхания, фотосинтеза и разности биоэлектрических потенциалов (РП) растений, валовое содержание электролитов в узлах кущения. Интенсивность дыхания и фотосинтеза определяли на инфракрасном газоанализаторе ГИП-10А. Повторность в опыте 5 — 10 кратная.

Полевые исследования проводились на полевом участке кафедры физиологии растений МСХА. Один из них был посвящён изучению положительного влияния перекиси кальция на устойчивость яровой пшеницы к затоплению на этапе прорастания. Совместно с Институтом физиологии растений РАН

был проведен еще один опыт, посвященный изучению методов диагностики устойчивости растений яровой пшеницы в отношении стрессорных факторов различной физической природы Так как данная диссертация посвящена проблеме гипоксии, то при описании полевого эксперимента основной упор будет сделан именно на этот стрессор Опыт представлял собой делянки шириной 1м и длиной 11м, на которых были расположены поперечные рядки с интервалом 15см, на каждой делянке были расположены по 3 повторности, внутри которых расположение сортов упорядоченно и повторяется во всех 3-х повторностях

Определяли в листьях валовое содержание электролитов, содержание К+, Ыа+, С1, Ы03", соотношение неорганических катионов и анионов, аминокислотный состав, изучали биометрические и продуктивные показатели, разность БЭП растений Кроме этого, определяли содержание электролитов в тканях узлов кущения в начальный период действия гипоксии; с помощью полевого газоанализатора 1Л-С011 измеряли в двух точках периода затопления интенсивность фотосинтеза Экспериментальные данные обработаны статистически на уровне значимости 0,05 (Доспехов, 1985)

Результаты исследований

1. Биоэлектрическая реакция растений на нарастающую гипоксию, её связь с образованием этилена в тканях.

В лабораторном опыте изучали разность биоэлектрических потенциалов (РП) и скорость образования этилена в надземной части и в корнях растений яровой пшеницы сорта Энита Отведение БЭП осуществляли с помощью стандартных неполяризующихся хлорсеребряных электродов марки ЭВЛ-1МЗ, заполненных 1М раствором хлорида калия (Черницкий, Паничкин, 1993) (рис 1) РП растений регистрировали непосредственно в период пропускания азота через питательный раствор Временную точку, когда начиналось устойчивое изменение разности потенциалов, принимали за начало стресса Концентрацию этилена в тканях корней и надземной части определяли в три периода- в момент начала стресса, спустя 30 и 60 минут после начала изменения РП

В первые два срока концентрация этилена ни в корнях, ни в надземной части опытных растений не отличалась от контроля И только спустя 1 час после возникновения потенциала действия концентрация этилена в надземной части растений, испытывающих гипоксию, была существенно выше, чем у контрольных растений В варианте с пропусканием азота уровень образования этилена в надземной части спустя 1 час после регистрации БЭР составил 6,98±0,50 мкг на 1г. сырой навески, в контроле этот показатель оказался на уровне 5,64±0,59 мкг на 1г сырой навески при экспозиции 1 час Это наводит на мысль, что в надземную часть информацию о стрессоре приносит первой электрическая система регуляции, гормональная система, очевидно, «срабатывает» тогда, когда возмущения вызваны не случайным, а систематически действующим фактором

Сорт Мироновская 808

4,4»4.6 4.7.4,8 5,0-5.2 5,3-5.5 5.8-6.« 5,9-6,1 «-в, 4 6,5-$7 6.8-7.0 7.1.7,3 7.4-7.9 7.7-7,9 М-М в.Э-в.5 &6-М &9-&1 Концентрация кислорода, мг/л

Рис.2 Биоэлектрическая реакция растений пшеницы на нарастающую

гипоксию

При помощи описанного выше методического приема проанализирована чувствительность к нарастающей гипоксии большого количества растений сортов, отличающихся по устойчивости к этому фактору Предполагалось, что сорта могут состоять из растений различных биотипов, которые имеют неодинаковую устойчивость к нарастающей гипоксии и, соответственно, различные порош «срабатывания» электрической реакции Весь диапазон значений концентраций кислорода, при которых у растений фиксировали БЭР, был разделен на 16 групп Каждая группа охватывает интервал в 0,3 мг/т Ог Это деление условно, но необходимо для упорядочения значений и удобства подсчёта частоты встречаемости данных. На рисунке № 2 представлены сгруппированные значения количества среагировавших растений при конкретных значениях концентрации кислорода в питательном растворе (в % от всего количества растений) Повторность в каждом из сортов 120 растений

Заметно, что степень разбросанности значений была наибольшей у сорта Мироновская 808, а наибольшую сгруппированность данных показал сорт Кутулукская У этого сорта наблюдается пикообразный максимум на интервале 6,8 - 7,0 мг/л кислорода У сорта Белорусская 80 наблюдались два ярко выраженных пика на интервалах концентраций кислорода 6,2 - 6,4 мг/л и 6,8 — 7,0 мг/л Можно заметить, что у Белорусской 80 на сгруппированных значениях малых концентраций кислорода расположено больше наблюдений, чем в той же области диаграммы у Кутулукской У Мироновской 808 обнаруживается 3 максимума в средней области концентраций, также имеется менее ярко выраженный всплеск на интервале 5,3 - 5,5 мг/л

Таким образом, данный метод оценки позволяет выяснить степень гетерогенности ответной реакции растений данного сорта на условия нарастающей гипоксии, что корретирует с устойчивостью полевой (устойчивость данных сортов была хорошо изучена в период студенческих работ, по их результатам Белорусская 80 и Кутулукская были взяты для дальнейших исследований в качестве модельных) Метод дает возможность разделения сорта на отдельные биотипы, различающиеся устойчивостью к гипоксии Вместе с тем метод дает возможность определить конкретные концентрации кислорода, при которых, как нам кажется, включаются стрессовые механизмы у отдельно взятых растений, при этом самые устойчивые экземпляры можно использовать далее, в селекционном процессе.

2. Влияние двухнедельного затопления на динамику РП

В вегетационном опыте детально изучали динамику РП растений пшеницы сортов Белорусская 80 и Кутулукская на протяжении всех 14 дней затопления При анализе графиков (рис 3) можно заметить выраженный фазовый характер динамики биоэлектрических потенциалов, как у опытных, так и у контрольных растений. У сорта Кутулукская в первые двое суток затопления происходит не только изменение величины РП, но и фазы реакции (по сравнению с контрольным вариантом) Что касается абсолютных значений, то спустя сутки после начала затопления всплеск РП обнаруживается у обоих

Рис. 3 Динамика РП растений пшеницы при затоплении корневой системы

(вегетационный опыт)

сортов, однако, у сорта Кутулукская он выражен сильнее (149% от контроля), чем у Белорусской 80 (121% от контроля). Через двое суток после начала затопления наблюдался спад РП, выраженный по-разному: у Кутулукской разность потенциалов в опытном варианте составила 59,8%, у Белорусской 80 — 90,9% от контроля. Скорее всего, амплитуда реакции растений на гипоксиче-ское воздействие, в данном случае сорта Кутулукская, больше вследствие её

большей чувствительности к этому повреждающему фактору, что согласуется и с урожайными данными, и с результатами других наших экспериментов (Карнаухова и др , 1994)

БЭП - тестирование в условиях вегетационного опыта корректно описывает отношение растений к изучаемому фактору и может являться одним из методов изучения проблемы устойчивости к гипоксии

3. Влияние аноксии на устойчивость мембран клеток корней. Большинство опытов, проведенных нами, было связано с постепенным вытеснением кислорода из корнеобитаемой среды газообразным азотом Было интересно, особенно на ранних фазах развития, изучить поведение растений при быстро наступающей, полной аноксии, т е отсутствии кислорода В данном случае присутствовал прикладной интерес, связанный с диагностикой устойчивости сортов без анализа в полевых условиях Изучали четыре сорта, два из них, как и в предыдущих опытах были Белорусская 80 и Куту-лукская, кроме них был взят озимый сорт Мироновская 808 и яровой — Энита Объектами изучения стали шестидневные растения, которые выращивали в чашках Петри Растения опытного варианта помещали на 24 часа в камеры, через которые пропускали газообразный азот, создававший аяоксию Спустя сутки опредетали нативный и полный выход электролитов из корней, отношение этих параметров представлено, как коэффициент устойчивости мембран (КУМ) (табл 2)

Табл.2

Коэффициент устойчивости мембран (КУМ) корней б дневных растений в условиях аноксии.

Сорт Вариант Коэффициент устойчивости мембран

Белорусская 80 контроль 1 77 + 0 138

опыт 1 7 + 0,101

Энита контроль 1 73 + 0 053

опыт ' 1 56 + 0 035

Мироновская 808 контроль 1 67 + 0 031

опыт * 1 41 + 0,081

Кутулукская контроль 1 74 + 0 066

опыт * 1 45 + 0 19

*- разница достоверна

Самым устойчивым в данном опыте оказался сорт Белорусская 80, разница КУМ с контролем у опытных растений этого сорта была наименьшей, кроме того — статистически недостоверной Растения этого сорта обладают способностью быстро реагировать на отсутствие кислорода, сорт Энита по степени устойчивости к изучаемому фактору занял второе место Разница КУМ опыт - контроль у Белорусской 80 составила лишь 0,07, кроме того, статистически она недостоверна, у сорта Энита эта разница была 0,17

. Озимый сорт Мироновская 808 в ряду устойчивости находится только на третьем месте. Известно, что озимые сорта в большей степени устойчивы к анаэробиозу, чем яровые (Остаплюк, 1977). Парадокс объясняется тем, что здесь действует жёсткая и быстро наступающая аноксия, что в естественных условиях встречается реже, и системы устойчивости этого сорта страдают в значительной степени от подобного стресса. .

На последнем месте по устойчивости корневой системы к аноксии оказался сорт Кутулукская. Объективности ради необходимо отметить, что разница в коэффициентах устойчивости мембран опытного и контрольного вариантов сорта Мироновская 808 оказалась лишь немного меньшей, чем у Ку-тулукской - 0,26, эти два сорта весьма близки по изучаемому, параметру.

Влияние никотиновой кислоты на устойчивость мембран (опыт №5)

Известно, что никотиновая кислота (витамин РР) способствует усилению синтеза белков за счёт повышения уровня свободных аминокислот (Богданова, 1984). Обработки никотиновой кислотой вызывают увеличение содержания АТФ, увеличивается содержание НАД и НАДФ. Это, возможно, является следствием повышенного уровня окислительно-восстановительных реакций, вызываемого обработкой никотиновой кислотой, и более интенсивным поглощением неорганического фосфора.

Витамин РР вводили в питательный раствор Кнопа, спустя 1,0 дней после отключения аэрации корней и выдерживали в течение суток. Так как растения до отключения аэрации выращивались при хорошем обеспечении кислородом корней, после этого они оказались в условиях низкого его содержания в питательной среде. После выдерживания растений, испытывавших нарастающую гипоксию, в растворе с добавлением никотиновой кислоты, общее содержание электролитов в тканях корней увеличивается в сравнении с подобными растениями, не подвергавшихся воздействию никотиновой кислоты (табл. 3). Сравнивая параметры нативного выхода, отражающего прочность мембранных структур, можно сделать заключение об уменьшении данного показателя у обработанных растений.

Табл. 3

. Влияние никотиновой кислоты на параметры устойчивости мембран корней пшеницы сорта Энита.

Вариант опыта Нативный выход Полный выход НВ/ПВ (КУМ),%

Аэрация + Гипоксия + Никотиновая кислота * 3,11+0,15 15,58 ±2,45 ' * 22,1 ±2,09

Аэрация + Гипоксия . 3,47 ±0,19 t - 13,08 ±0,42 26,7 ±1,64

Метод определения устойчивости мембран клеток по выходу электролитов хорошо описывает состояние корневой системы растений, подвергаемых действию гипоксии и аноксии, степень чувствительности и информативности

его увеличивается при использовании коэффициента устойчивости мембран (КУМ) Устойчивость сортов яровой и озимой пшеницы, в зависимости от скорости наступления стресса и его напряженности (продолжительности и интенсивности) может изменяться при острой, быстро наступающей аноксии озимый сорт Мироновская 808 оказался менее устойчив, чем большинство из изучаемых яровых сортов Никотиновая кислота, будучи введенной в корне-обитаемую среду, даже в малых концентрациях, способна оптимизировать состояние мембран клеток корней, уменьшая их проницаемость и увеличивая содержание электролитов в клетках

4. Фотосинтез в условиях нарастающей гипоксии

Фотосинтез растений пшеницы изучали в табораторных условиях, в вегетационном опыте и в полевых условиях в динамике (опыты №№ 3,6,7)

При измерении фотосинтеза флаговых листьев в лабораторных условиях для создания гипоксии использовали пропускание азота через питательный раствор. Обнаружили, что спустя 2 часа после начала подачи азота интенсивность фотосинтеза падает на 8 % по сравнению с контролем (Рис 4) Однако разница с контролем наблюдается лишь спустя 5 часов посте начала пропускания азота, к 7 часам темпы снижения интенсивности фотосинтеза замедляются. Интересно отметить, что начало падения интенсивности фотосинтеза по времени следует за появлением в надземной части этилена (опыт № 1)

-♦—Гипоксия —•—Контроль

Рис. 4 Интенсивность фотосинтеза флагового листа растений пшеницы сорта Энита при нарастающей гипоксии, мкМоль/м2с

В условиях вегетационного опыта изучали интенсивность фотосинтеза растений пшеницы в фазы кущения - выход в трубку, выращиваемых в сосудах при затоплении Измерения были сделаны за сутки до затопления и 3 раза в период затопления До начала опыта интенсивность фотосинтеза у растений обоих сортов была примерно на одном уровне, спустя сутки после затопления у опытных растений сортов произошло увеличение интенсивности фотосинтеза, причем у сорта Кугутукская - в большей степени, чем у Белорусской 80 (Рис 5) Спустя трое суток интенсивность фотосинтеза у Куту-лукской снизилась в большей степени, чем у Белорусской 80 Таким образом, у сорта Кутулукская наблюдается более высокая амплитуда интенсивности фотосинтеза в условиях начавшейся гипоксии

Белорусская 80 затопление

Белорусская 80 контроль

1 июля з июля

Рис. 5 Интенсивность фотосинтеза растений пшеницы при затоплении, %СО; мин (затопление с 28 июня по 11 июля)

Эти данные коррелируют с динамикой биоэлектрических потенциалов растений Коэффициент корреляции между этими двумя показателями у обоих сортов имеет знак «-», существенна корреляция — только у Белорусской 80 и составляет -0,74 У опытных вариантов, корреляция между динамикой изменения интенсивности фотосинтеза и РП имеет положительную направленность у Кутулукской она составляет 0,77, а у Белорусской 80 — 0,89

Можно сделать предположение, что адекватность и согласованность ответных реакций прочих систем на информационные воздействия биоэлектрической системы и лежит в основе, по крайней мере, биохимических адаптивных реакций, которые, в свою очередь, ведут к ответным реакциям на мор-фофизиологическом и более высоких уровнях

В условиях вегетационного опыта было проведено изучение концентрации хлорофилла в листьях в связи с колебаниями фотосинтеза Затопление

ведёт к довольно быстрому снижению содержания хлорофилла в листьях, в большей степени у сорта Кутулукская, но это не может полностью обусловливать ритмические колебания интенсивности фотосинтеза.

В условиях полевого опыта у растений 11 сортов измеряли интенсивность фотосинтеза, её определяли спустя 3 дня и 9 дней после начала затопления. Спустя 3 дня "после начала затопления, обращает на себя внимание факт разделения сортов на 2 группы по типу изменения данного параметра: у сортов: Кутулукская, ППГ-56, Туоко, Тринтани, Приокская, АЦПГ, в большей или меньшей степени фотосинтез увеличился, у других: Энита, Саратов-ская-55, Комета, АЦПГ+Энита, Белорусская 80 - уменьшился.

Сорта Белорусская 80 и Кутулукская ведут себя по-разному: спустя 3 дня после начала затопления у Кутулукской фотосинтез опытных растений несколько больше, чем у контрольных. Хотя эта разница недостоверна при 95% уровне значимости, тенденция к усилению физиологических процессов у этого сорта на первых этапах затопления прослеживалась и ранее. Подобное поведение сорта можно считать характерным для условий развивающейся корневой гипоксии. Ситуация на 9 день затопления меняется кардинально: интенсивность фотосинтеза снижается у сорта Кутулукская до 23,4% от контроля; подобное снижение наблюдалось нами и раньше. Что же касается сорта Белорусская 80, то снижение интенсивности фотосинтеза было значительно меньшим, от 8 до 12% (Табл. 4)

Таблица 4

Интенсивность фотосинтеза растений пшеницы при затоплении, мкМоль/м'с С02

Сорт 3 дня затопления 9 дней затопления

опыт контроль о/к,% опыт Контроль о/к,%

Кутулукская 15,3 + 1,91 14,9 + 1,83 103 3,84 + 0,94 16,43 + 2,59 23

Энита 18,7 + 0,48 22 + 1,52 85 16,3 + 0,42 19,41 + 0,66 84

Саратовская-55 18,3 + 0,56 22,3 + 1,09 82 18,1 + 1,21 22,8 + 0,61 79

Комета 21,7 + 1,07 24,1 + 1,51 90 17,9 ± 1,93 30,86 + 2,64 58

- ППГ-56 22,4 + 0,35 19,6 + 1,57 114 7,4 + 3,68 23,67 ± 2,59 31

' ' Туоко ' 23,1 + 1,65 17,6 ± 1,33 132 21,1 + 2,25 22,91 + 3,13 88

. Тринтани , .19 . + 1,04 15,9 + 1,2 119 10,7 + 1,29 18,12 + 0,92 59

Приокская > 15,1 + 2,19 13,4 + 0,14 113 14,1 ± 3,4 20 + 0,71 70

АЦПГ 25,2 +3,1 15,9 + 0,67 159 20 + 0,54 13,26 + 0,49 151

АЦПГ+Энита 22,9 + 2,73 24,1 + 1,56 95 21,2 + 0,72 16,74 + 1,22 127

Белорусская 80 20,6 ± 3,8 23,3 + 1,64 88 21,8 + 1,19 23,66 + 1,8 92

5. Дыхание в условиях нарастающей гипоксии.

В лабораторных условиях определяли дыхательный коэффициент и интенсивность дыхания корней растений пшеницы сортов Белорусская 80 и Ку-тулукская Эти данные свидетельствуют о большей приспособленности сорта Белорусская 80 к постепенно наступающей гипоксии

Белорусская-80

Кутулукская

Рис б Динамика интенсивности дыхания растений пшеницы, мг СОг/дм2 час (Затопление с 28 июня по 11 июля)

В условиях вегетационного опыта изучалась интенсивность дыхания сосудов с растениями (микроценозов) при двухнедельном затоплении в фазу кущения. Непосредственно после снятия затопления часть растений была обработана б - БАП. Обращает на себя внимание факт изменения дыхания после обработки б-БАП: растения, пережившие затопление снижают интенсивность дыхания, а растения контрольного варианта — несколько повышают (Рис. 6). Эта тенденция наблюдается у обоих сортов, с той разницей, что у Кутулукской эти изменения выражены в большей степени. Нельзя не заметить достоверное превышение интенсивности дыхания опытных растений над контролем в конце периода затопления у сорта Белорусская 80, что, может быть связано с более высокой эффективностью альтернативных путей дыхания, а также механизмов репарации данного сорта.

При анализе корреляций между интенсивностью дыхания и БП, была обнаружена связь данных параметров у затопленных растений сорта Куту-лукская с коэффициентом корреляции 0,65. У сорта Белорусская 80 данная связь имела характер слабой отрицательной зависимости (коэффициент корреляции -0,37). В контрольных вариантах связи обнаружено не было.

6. Полевые исследования устойчивости пшеницы к затоплению

В качестве основного показателя продуктивности нами была взята масса зерна с одного растения в граммах. В своей работе мы приняли следующие 1руппы продуктивности: высокая, средняя и низкая, соответственно масса зерна с одного растения в первой группе составляет 4,8-3,8г, во второй - 3,73,1г и в третьей — 2,9-2,2г (табл.5). В дальнейшем при оценке сортов мы придерживались данной группировки.

Представлены структурно — морфологические и биометрические показатели растений, отражающие адаптивные процессы и их цену при действии на растения корневой гипоксии. По большинству сортов в варианте с затоплением на фазе кущения — выхода в трубку имеет место некоторое снижение высоты растений, но в ряде случаев несущественное, около 10%. Вариант с гипоксией на фазе трубкования — колошения показывает противоположную тенденцию: у большинства сортов наблюдается увеличение высоты растений. Более значительным было влияние условий гипоксии на продуктивную кустистость, особенно на втором сроке затопления. При первом сроке различия с контролем достигали 48%, а при втором — 53%. Изменение кустистости по сортам существенно различалось, и даже по знаку. Изменения озернённости растений варьировало по первому сроку гипоксии от -50% до +68%, по второму сроку от -60% до +67%, т.е. по ряду сортов изменения в озернённости были большими. Как при первом, так и при втором сроке гипоксии отмечено уменьшение массы 1000 зерновок, особенно по сортам Энита, Туоко, Саратовская 55. Относительно большее изменение массы отмечено по группе «засухоустойчивых» сортов ВИРа. Сильная вариабельность по продуктивности — массы зерновок с одного растения имела место, как при первом, так и при втором сроке затопления (первый срок — от -64% до +59%, второй срок - от — 80% до +17%), однако отдельно следует сказать, что при гипоксии на второй

фазе почти у всех сортов отмечено снижение продуктивности, исключение составляет один единственный сорт - Альбидум 43, у которого произошло увеличение данного параметра на 17%

Табл. 5 Характеристика контрольных растений _(ранжировка по продуктивности) _

Группа по продуктивности №№ Высота С°РТ ' расте- Растений I ния г ; см Продуктивная кустистость Число зёрен на 1 растении Масса 1000 зёрен г|

Высокая 1 Энита ' 4 8 88 2 8 139 36

2 Саратовская 55 4,1 106 2 5 120 41

3 Приокская 4 96 26 116 38

4 АЦПГ+Энита 3 9 107 2 5 98 43

5 Тринтани 3,8 90 3 3 103 37

6 Каразино 3 8 108 2 7 97 39

Средняя 7 Ролло 37 98 2 6 86 46

8 Кутулукская 3,6 105 26 | 99 38

9 Комета 35 108 3 | 97 37

10 Диамант | 3 4 102 , 2 7 91 38

11 Сурхак 5688 I 3 4 98 27 1 95 39

12 I Альбидум 43 3,3 107 29 1 89 40

13 ) ППГ-56 I 3 3 105 2 5 1 91 38

14 | Мессель ' 3 3 97 2 9 | 92 38

15 Альбидум 28 I 3 2 ' 103 2 4 I 90 38

16 Колониас 3 1 101 2 5 95 35

17 Белорусская 80 3,1 92 27 93 35

18 Ошская 3 1 108 26 77 45

Низкая 19 Саратовская 29 29 102 , 2 3 1 85 37

20 Прелюдия 29 103 2 7 I 120 31

21 Туоко 2,9 105 2 6 I 76 37

22 Эритроспермум 843 2 8 95 26 77 40

23 Федерасьён 2 5 93 I 2 6 77 41

24 АЦПГ 22 98 12 3 85 28

Ионный и аминокислотный баланс затопленных растений Совместно с Институтом физиологии растений проводили поиск физио-> логических параметров для диагностики устойчивости растений пшеницы

Для оценки интегральных и первичных ответных реакций растений, избрали измерение концентрации основных неорганических ионов Известно, что ряд параметров водного баланса клеток растений, в т.ч их осмотический потенциал, выступают в качестве одной из ранних реакций растений на многие внешние воздействия, в том числе и гипоксии В качестве интегрального показателя состояния растительных тканей под влиянием стресс-воздействий было взято измерение электропроводности, что позволило в определенной степени охарактеризовать состояние мембранных систем и метаболических процессов в растении Для оценки специализированной устойчивости иссле-

довали формирование внутриклеточных метаболических систем, в т.ч. синтеза протекторных соединений и совместимых осмолитов. В качестве дополнительного параметра, описывающего наиболее значимые физиологические и метаболические процессы, использовали интенсивность функционирования «калиевого шунта», обеспечивающего циклическую сопряжённость транспорта катионов и анионов в целом растении. Именно она лежит в основе выявленной корреляции между соотношением катионов и анионов и продуктивностью растений. Эти параметры определяли в три срока: первый — 10 июня, совпал с периодом затопления растений, второй и третий (20 июня и 30 июня соответственно) проходили при нормальной влажности почвы.

Реакция растений на неблагоприятные условия выращивания заметно сказалась на электропроводности листовых экстрактов, при этом направленность и размер изменений различался у разных сортов в зависимости от характера и продолжительности воздействия. Было интересно сравнить два типа неблагоприятных воздействий: уплотнения почвы и гипоксии. Негативное действие уплотнения особенно усилилось во второй срок измерения (20 июня), но практически исчезло (за исключением сорта Тринтани) к концу эксперимента. Более однородно и более выражено оказалось влияние гипоксии на электропроводность. При первой фиксации у 5 сортов, а при второй - у 10 сортов она вызвала значительное снижение электропроводности, максимальный эффект у гибрида АЦПГ+Энита превышает 50%, у сортов Комета и Саратовская 55 составляет 30-40%. К концу эксперимента действие гипоксии нивелировалось. ' ^

Условия кислородного голодания корневой системы оказали выраженный эффект на содержание калия в листьях. Сильное снижение его концентрации зарегистрировано у сортов Саратовская 55, Комета, Приокская, Белорусская 80 и АЦПГ+Энита, причём у Саратовской 55 снижение на 30-43% наблюдалось в течение всего эксперимента. Отчётливо прослеживаются общие закономерности в действии переуплотнения почвы и условий гипоксии корнеобитаемой среды. На фазе колошения растения большинства сортов реагировали на оба эти стресс-фактора снижением концентрации хлорида.

Величина отношения концентраций неорганических катионов к анионам в листовых экстрактах может быть использована в качестве характеристики интенсивности работы калиевого шунта, играющего важную роль в обеспечении процессов роста тканей. На фазе колошения 9 из 11 изучаемых сортов испытывали угнетающее действие гипоксии, судя по снижению соотношения катионов и анионов, максимальное проявление которого обнаружилось у сорта ППГ-56 (опыт/коятроль= 0,6).

Изменения в аминокислотном составе в листьях растений пшеницы, вызванные стресс — факторами носят весьма неоднозначный характер, очевидно, что сорта имеют различные стратегии биохимической адаптации к предлагаемым стрессовым условиям. Это объясняется изначально разным соотношением аминокислот, например у сортов Приокская и Кутулукская доминирует глутамат, а вместе с глутамином их уровень приближается к 1/3 всего состава свободных аминокислот. Иная картина характерна для Саратовской

55, у которой на долю глутамата приходится всего 10,6 % Преобладающей аминокислотой у Саратовской 55 является серин, относящийся к аспартатной группе аминокислот В целом, эти данные позволяют определить изучаемые сорта пшениц как принадлежащие соответственно к глутаматному (Приок-ская, Кутулукская) или аспартатному типу (Саратовская 55)

Характер ответных реакций позволяет заключить, что переуплотнение почвы включает два разных стрессовых фактора,- ограничение емкости почвы для воды и кислорода, чем вызывается соответственно, ограничение водоснабжения и кислородная недостаточность

Подтверждение этого можно видеть в характеристике реакций растений на корневую гипоксию У растений всех сортов изменения аминокислот под влиянием гипоксии имеют ту же направленность, а у некоторых даже и размер, что и изменения, вызываемые переуплотнением почвы Действие гипоксии, судя по изменению в содержании свободных аминокислот, оказалось особенно сильным, изменения касаются значительно большего числа свободных аминокислот. Сортовые различия в ответе на гипоксию можно обнаружить на уровне числа свободных аминокислот, содержание которых существенно (более чем на 50%) изменилось под действием этого стрессора

В качестве диагностического признака устойчивости сортов можно использовать коррелятивную зависимость между количеством зерна с одного растения и отношением неорганических катионов к анионам Как и предполагали, данная корреляция имеет характер сильной зависимости с коэффициентом 0,71 В меньшей степени выражена зависимость урожайных данных от концентрации калия в -шстьях, однако следует сказать, что эти зависимости наблюдаются только при третьем измерении, 30 июня В период действия стресса связи между параметрами обнаружить не удалось

7. Влияние перекиси кальция на устойчивость растений при затоплении.

Изучена возможность оптимизировать содержания кислорода и ионов кальция в пространстве вокруг прорастающей зерновки, для чего они были покрыты оболочкой, содержащей перекись кальция.

В опыте было 5 вариантов 1 - посев обработанных перекисью зерновок и немедленное затопление, 2 - посев обработанных сульфатом кальция зерновок и немедленное затопление, 3 - посев зерновок, обработанных крахмально-клеевой смесью без добавок с немедленным затоплением, 4 - посев зерновок, обработанных крахмально-клеевой смесью без добавок, без затопления, с изоляцией верхнего горизонта, 5 - абсолютный контроль

Обработка положительно влияла на устойчивость растений к затоплению, благодаря ей выжило в 3 раза больше растений, которые дали почти в четыре раза больше зерна в пересчете на единицу площади в сравнении с затопленным контролем (табл 6)

Табл. б Влияние обработок СаБС^ и СаОг на морфологические и продуктивные параметры растений пшеницы

Варианты Опыта Высота надземной части, см Продук-твная кустистость, стеблей на 1 растение Число зёрен, шт. Масса зёрен,г Число зёрен, шт. Масса зёрен, г Количество растений на м2 Продуктивность

С колоса главного побега С колосьев боковых побегов одного растения* Г./М2 Г./100 растений

Затопле-ние+СаОг 66,4±0,92 1,1*0,02 28,9*0,93 1,00*0,05 31,0*1,18 0,85*0,04 307*11 407 132,6

Затопле-ние+СаБОч 66,8*0,97 1,2*0,03 29,7*0,87 1,01*0,04 29,1*1,52 0,70*0,04 273*9 374 137,0

Затошт. без обработок 60,7*2,40 1,3*0,08 32,1*2,34 1,02*0,09 32,1*3,07 0,63*0,10 101*5 132 130,7

Контроль с плёнкой 79,6± 1,05 1,2*0,02 26,4*0,92 1,28*0,04 27,5*0,79 0,84*0,03 295*8 352 119,3

Абсолюта. Контроль 93,3*1,06 1,7*0,05 40,4*0,95 1,45*0,05 38,2*1,26 1,14*0,05 303*10 450 148,5

- В пересчёте на один колос

Интересно, что в варианте с обработкой зерновок сульфатом кальция урожайность с растения не ниже, чем в варианте с перекисью. Это может говорить о положительном влиянии ионов кальция самих по себе.

Очевидно, что и в случае с обработкой зерновок сульфатом кальция и, особенно, в случае с обработкой перекисью кальция растения переносят затопление корней лучше, чем при посеве необработанным материалом.

ВЫВОДЫ

1. Впервые установлено, что время наступления биоэлектрической реакции в ответ на снижение концентрации кислорода в питательном растворе предваряет усиление биосинтеза этилена.

2. Усовершенствована методика длительного измерения разности БЭП с использованием изотонического раствора.

3. ' Разработана методика оценки повреждающего действия гипоксии по параметрам ответной биоэлектрической реакции. .

4. При анализе интенсивности дыхания корней растений пшеницы в условиях нарастающей гипоксии обнаружилась их способность у относительно устойчивого сорта Белорусская 80 функционировать при более низкой концентрации ■ кислорода, чем в случае с Кутулукской, эта особенность особенно актуальна для ранних фаз развития.

5. При нарастающей кислородной недостаточности интенсивность дыхания корней растений пшеницы снижается, однако у чувствительного к гипоксии сорта это происходит значительно быстрее, чем у сорта, устойчивого к переувлажнению. Обнаружена положительная связь между интенсивностью ды-

хания и РП у затопленных растений неустойчивого к гипоксии сорта Куту-лукская

6. Фотосинтез в условиях нарастающей гипоксии начинает изменяться лишь спустя 2 часа после начала эксперимента, и достоверно отличается от контрольных показаний спустя 5 часов. Обнаружена положительная связь между РП и интенсивностью фотосинтеза при нарастающей корневой гипоксии Эта корреляция выше у более устойчивого сорта (Белорусская 80), чем у чувствительного к переувлажнению (Кутулукская)

7. Соотношение анионы/катионы в листьях затопленных растений, а также содержание в них калия, особенно в постгипоксический период, положительно коррелирует с показатетями урожайности

8 При действии засухи и гипоксии наиболее стресс-устойчивые высокопродуктивные сорта накапливают в листьях значительные количества осмо-образующих неорганических ионов, что, по-видимому, напрямую связано с разностью водных потенциалов растение-почва

9 В качестве доноров комплексной устойчивости к гипоксии и переуплотнению почвы в селекционной работе рекомендуется использовать сорта Эритроспермум 843, Ролло, Туоко, Приокская, АЦПГ и Сурхак 5688

10. Для корректной оценки биологической и агрономической продуктивности и устойчивости растений необходимо сочетать лабораторные и полевые методы диагностики

11 С помощью определения устойчивости мембран клеток показано положительное влияние никотиновой кислоты на устойчивость корней пшеницы к условиям гипоксии

12 Инкрустация перекисью и сульфатом кальция зерновок яровой пшеницы и в том и в другом случае повышает полевую всхожесть и урожайность в условиях затоптения

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Карнаухова Т В , Третьяков Н Н, Фаттахова Н Н , Синявин М С Мор-фофизиологические реакции молодых растений пшеницы на затопление корней // Изв ТСХА - 1994 - №1 - С 112-122

2. Третьяков Н Н, Карнаухова Т В , Синявин М С Динамика интенсивности дыхания и разности биопотенциалов растений пшеницы при нарастающей корневой гипоксии // Известия ТСХА, вып 2, 1996, с. 145-151

3 Третьяков Н Н, Синявин М С Морфофизиологические реакции растений пшеницы на действие корневой гипоксии и методы диагностики устойчивости к ней Тез докл Том 1 Четвертый съезд физиологов России/4-9 октября 1999 г./ Москва С. 460

4. Синявин М.С., Третьяков H.H. Влияние перекиси кальция на устойчивость растений пшеницы к корневой гипоксии.// Известия ТСХА, вып 4,2001, с.106-114.

5. Третьяков H.H., Аканов Э.Н., Яковлев А.Ф., Синявин М.С., Клочкова Н.М., Кутузов В.В. Комплексная оценка устойчивости растений яровой пшеницы. В сб. тез. Межд. симпоз. «Растения под действием стресса» М., ИФР АНРФ. 23-28 октября 2001 г. С. 301.

6. Третьяков H.H., Кузнецов В.В., Холодова В.П., Яковлев А.Ф., Аканов Э.Н., Семёнов О.Г., Синявин М.С., Кутузов В.В. Устойчивость сортов яровой пшеницы к абиотическим стрессам // Изв. ТСХА, вып. 4, 2003, с.71-86.

7. Синявин М.С., Третьяков H.H. Гормональный и биоэлектрический сигналы при нарастающей корневой гипоксии растений яровой пшеницы // Изв. ТСХА, вып. 4,2004.

8. Третьяков H.H., Холодова В.П., Яковлев А.Ф., Мещеряков А.Б., Аканов Э.Н., Семёнов О.Г., Жадова О.С., Синявин М.С., Кутузов В.В., Кузнецов Вл.В. Диагностика устойчивости растений яровой пшеницы в условиях комплексного полевого опыта. Физиологические аспекты. // Изв. ТСХА, вып. 1,2005.

Объем 1 5 п i

Зак 185

Тир 100 .это

Издательство МСХА 127550 Москва ул Тимирязевская, 44