Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена

Нефедьева, Елена Эдуардовна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена"

НЕФЕДЬЕВА Елена Эдуардовна

ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МОРФОГЕНЕЗ У РАСТЕНИЙ ПОСЛЕ ДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ НА СЕМЕНА

03.01.05 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

з 1 '.:/.? 2011

Москва-2011

4841881

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ,

д-р техн. наук, проф. ЛЫСАК Владимир Ильич

Официальные оппоненты: д-р биол. наук, проф.

ПАНИЧКИН Леонид Александрович

д-р биол. наук, проф. ГЕРАСЬКИН Станислав Алексеевич

д-р биол. наук

ПУХАЛЬСКАЯ Нина Витальевна

Ведущая организация - Сибирский институт физиологии

и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

Защита диссертации состоится « /V » _2011 г. в 14-30

часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.08 при ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке имени Н.И. Железнова ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Автореферат разослан «_ 9 » ЛЫ{?Г0и 2011 г.

Автореферат размещен на сайте www.timacad.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Л. Белопухов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важнейшей задачей физиологии растений как фундаментальной науки является создание теоретической основы, растениеводства. Новые прогрессивные направления биотехнологии и биоинженерии растений призваны обеспечивать высокую урожайность и устойчивость растений.

Задачу повышения продуктивности растений решают путем выведения новых сортов и гибридов, получения генетически модифицированных организмов, совершенствования агротехнологий, обеспечения защиты растений от вредителей и болезней, а также применения различных, в том числе физических, стимуляторов роста [Эльпинер, 1973; Инюшин, 1970; Веселовский, 1990; Ковалев, 1995; Савин, 1981; Батыгин, 1986; Бут, 1992; Будаговский, 2008].

Известны зависимости биологического эффекта от дозы воздействия, однако существует проблема действия больших и малых доз физических факторов, вызывающих соответственно неадаптивные (повреждение) или адаптивные реакции. Проблеме посвящены многочисленные исследования [Дмитриев, Страц-кевич, 1986; Кузин, 1995; Новицкий и др., 2001; Geras'kin et al., 2007]. В настоящее время исследуют молекулярные и клеточные механизмы реакции растений на внешнее воздействие [Fukuda et al., 2004; Mazzucotelli et al., 2006; Mitteler, 2002; Schnitzer, 2007; Wang, 2002; Колесниченко, Войников, 2003; Кузнецов Вл.В., 2006; Тарчевский, 2002], но также актуален целостный подход к анализу реакции растения на внешнее воздействие.

На растения воздействовали импульсным давлением (ИД), поскольку, давление влияет на рост и поглощение воды [Felix et al, 2000], флоэмный транспорт [Fensom et al., 1994] и транспорт газов [Afreen et al., 2007], рост и развитие растений [Dumais, Steele, 2000; Kwiatkowska, 2006], а натяжение водных нитей вызывает биоэлектрическую реакцию [Паничкин, 2001]. ИД - это объемное сжатие в течение 15-25 мксек, которое не приводит к механическим нарушениям, но активирует рост и продуктивность растений [Нефедьева, Хрянин, 1999 и др.].

Обработка ИД семян, находящихся в состоянии покоя, вызывает последующие ростовые изменения. Воздействия в малых дозах оставляют в семенах скрытые повреждения, которые реализуются при переходе клеток в жизнедеятельное состояние [Кузин, 1995]. Следовательно, при рассмотрении физиологических эффектов следует учитывать, что они являются следствием процессов, произошедших и индуцированных в семенах в момент обработки ИД.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научных основ эпигенетического управления морфогенезом растений на основании выявленной зависимости биохимических, морфофизиологических, цитогенетических, особенностей и продуктивности растений от параметров ИД и создание на этой базе научно обоснованной технологии повышения продуктивности растений.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи.

1. Проанализированы способы физической стимуляции и особенности физиологических реакций растений на разных уровнях организации живой материи.

2. Разработан метод обработки семян ИД и произведены расчеты параметров ударной волны (УВ) на поверхности обрабатываемых семян.

3. Изучено детально влияние режимов обработки на биологические особенности растений различных видов с использованием анатомических, физио-лого-биохимических и цитогенетических методов.

4. Выявлены основные закономерности изменения физиологических особенностей растений в зависимости от интенсивности воздействия УВ.

5. Разработан комплекс научно обоснованных технологических процессов обработки семян ИД для повышения продуктивности и устойчивости растений.

Защищаемые положения

1. Способ воздействия на семена импульсным давлением, позволяющий влиять на межмолекулярные связи растительной ткани, а также режимы воздействия и метод их расчета.

2. Существование на уровне целого организма зоны общей стимуляции -гормезиса - с нормальной динамикой физиологических процессов и небольшой стимуляцией; переходной зоны повышенной вариабельности; зоны стресса с особой динамикой физиологических процессов.

3. Интегральный характер реакции на уровне организма; события на уровне клеток инициируют структурные и физиологические перестройки в апикальных меристемах, которые приводят к гормональным и донорно-акцепторным изменениям, способствующим торможению роста и ускорению развития.

4. Увеличение продуктивности и устойчивости растений дает возможность управлять продукционным процессом растений в различных условиях выращивания.

Научная новизна. Новым научным положением, направленным на раскрытие механизма реакции на внешнее воздействие на уровне растительного организма, является выявление контрастирующих дозовых стратегий, развивающихся под влиянием доз ИД, позволяющих получить непрерывную зависимость физиологических функций от его величины.

Показано существование в дозовой зависимости на уровне целого растения трех контрастирующих зон: общей стимуляции - гормезиса, переходного состояния и стресса. В первой зоне при действии ИД 5-20 МПа увеличение ус-

тойчивости и продуктивности растений на 15-25% является результатом преимущественного накопления гормонов-активаторов и стимуляции физиологических процессов без изменения динамики. В стрессовом состоянии под действием ИД свыше 26 МПа обнаружены изменения структуры опытной партии, нарушение нормальной динамики физиологических процессов растений, преобладание гормонов-ингибиторов, приводящее к торможению роста, изменение донорно-акцепторных отношений с преимущественным оттоком ассимилятов в плоды, приводящее к 2-3-кратному увеличению продуктивности. Доказано, что увеличение вариабельности признаков на целостном уровне при ИД 20-26 МПа соответствует переходному состоянию от гормезиса к стрессу.

Выявлено, что переход в состояние стресса на организменном уровне заключается в интеграции сигналов на уровне апикальных меристем, что приводит к усилению их формообразовательных и акцепторных свойств. Анализ взаимосвязи биохимических, биофизических, анатомо-морфологических и физиологических особенностей растений позволил создать гипотетическую модель запуска реакции на организменном уровне в зависимости от дозы ИД, что открывает новые подходы к исследованию продукционного процесса и выживаемости растений в неблагоприятных условиях.

Практическая значимость. Результаты проведенных расчетов и исследований позволили создать технологию обработки семян ИД для повышения продуктивности [Патент 2083073 РФ; П. м. 85291 РФ] и устойчивости растений [Патент 2377753 РФ], а также для синхронизации клеточных делений [Патент 2180474 РФ]. Разработаны способы создания ИД без использования взрывчатых веществ [П. м. 88244 РФ; П. м. 91504 РФ]. В совхозе «Тепличный» г. Пензы проведены производственные опыты по исследованию морфофизиологических особенностей и урожайности томатов и огурца защищенного грунта после обработки семян ИД, оформлен Протокол (1995 г). Использование метода в производстве позволило в 1995 г. получить фактический годовой экономический эффект 364440 тыс руб. Имеется Акт о внедрении (форма Р-10). На базе ФГУП «Пензенское» в 2003 г проведены полевые исследования, на основании которых выданы Протоколы экспертизы морфофизиологических особенностей и урожайности гречихи сорта Саулык, пшеницы сортов Безенчукская-139 и Пирамида после обработки семян ИД, в которых подтверждено увеличение продуктивности растений на 9-85%. В 2008-10 гг проведены полевые опыты в ВНИИ агролесомелиорации (г. Волгоград), по результатам которых оформлены Протоколы экспертизы урожайности растений ячменя после обработки семян ИД; урожайность растений увеличивалась на 38-58%.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 7 межвузовских, 7 всероссийских совещаниях и конференциях; 18 международных конференциях

и симпозиумах (1995, 1996, 1997, 1999, 2001, 2006, 2007, 2008 -Москва; 1994, 1999 - Санкт-Петербург; 1996 - Пущино; 1993, 1996, 2007 - Орехово-Зуево; 1996, 2000, 2003 - Пенза; 1997 - Пермь; 2001 - Уфа; 2001 - Саранск; 2003 -Ярославль; 2004 - Петрозаводск; 2005 - Вологда; 2006 - Ростов-на-Дону; 2006 - Самара; 2007 - Сыктывкар; 2009 - пос. Персиановский, 2010 - Волгоград, на научных семинарах в МГУ, ПГПУ, ВолгГТУ, ВНИАЛМИ РАСХН и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 работ, в том числе 1 монография (в соавторстве), 23 статьи, в том числе 10 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 3 изобретения, 3 полезных модели.

Структура работы. Диссертация написана на 414 страницах, включает введение, обзор литературы (глава I), описание объектов и методов исследования (глава И), изложение полученных результатов (главы III-VI), выводы, список литературы, приложение. Текст иллюстрирован 39 таблицами и 74 рисунками. Список литературы включает 369 отечественных и 240 зарубежных работ. В приложении содержатся результаты исследования всхожести и продуктивности растений в течение 19 лет, копии акта внедрения и протоколов испытаний.

Личный вклад автора. В представленных работах, большинство из которых выполнено в соавторстве с другими исследователями, автором определены основные идеи и направления проводимых исследований [Nefedieva, 2002; 2003 а; 2003 Ь; Нефедьева и др., 2003, б], предложены и обоснованы новые методы исследования физиологических процессов [Нефедьева и др., 1997; 2009], новые технические и технологические решения [Нефедьева, 2002; Нефедьева и др., 2009], осуществлено планирование экспериментов и обработка полученных данных, проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области физиологии растений.

Благодарность. Научное направление было создано под руководством д.т.н., профессора, Заслуженного деятеля науки РФ Э.С. Атрощенко. Формирование научных представлений автора, расширение и всестороннее раскрытие научной проблемы проходило под влиянием д.т.н., проф., Заслуженного деятеля науки РФ В.И. Лысака и д.т.н., проф. C.B. Кузьмина. Развитию биофизического направления, интерпретации результатов и формированию взглядов автора в этой области способствовали д.б.н., проф. В.А. Веселовский и д.б.н., проф. Т.В. Веселова. Автор получала помощь и консультации при проведении экспериментов по физиологии растений от д.б.н., проф., Заслуженного деятеля науки РФ В.Н. Хрянина. При обсуждении результатов автор получила полезные советы от д.б.н., проф., Лауреата государственной премии СССР, Заслуженного деятеля науки РФ Ю.Б. Кудряшова, д.б.н., проф., члена-корреспондента РАН,

лауреата Государственной премии СССР А.Б. Рубина, д.с.-х.н., проф., академика РАСХН К.Н. Кулика, д.б.н., проф., члена-корреспондента РАСХН H.H. Третьякова, д.б.н., проф. М.Н. Белицкой, д.б.н., проф. И.В. Владимцевой, д.т.н., проф. А.Б. Голованчикова и д.б.н., проф. И.Г. Тараканова. Автор выражает им глубокую благодарность.

В экспериментах, проводимых в 1991-2009 гг, использовали растения гречихи (Fagopyrum esculentum Moench.) сортов Аромат, Саулык, Деметра; томатов (Lycopersicon esculentum) гибридов F] Карлсон, Тортилла, Шаганэ, Красная стрела, Кострома; огурца (Cucumis sativus) гибридов Fi Эстафета, НИИОХ-416, Ма-ринда; ячменя (Hordeum distiehon L.) сортов Одесский-100, Донецкий-14 и др.

Семена обрабатывали ИД от 3 до 50 МПа, создаваемым УВ [Патент 2083073 РФ]. Величину ИД рассчитывали по формуле (1) [Пихтовников, Завьялова, 1964]:

где Р - давление, МПа; Q - масса заряда взрывчатого вещества, кг; Я - расстояние от центра взрыва до поверхности семян, м.

Обработку семян с ИД проводили в соответствии со схемой (рис. 1). На дно контейнера из нержавеющей стали (1) укладывали поролоновые кассеты (2) с семенами (3), закрытыми сетчатым материалом. Контейнер заполняли водой (4), закрепляли водостойкое взрывчатое вещество (5) с массой О, на расстоянии Я от поверхности семян при помощи пластины (6). Производили детонацию с использованием электродетонатора (7). Контрольные семена помещали в воду на время, соответствовавшее пребыванию в воде семян при обработке ИД. Семена сушили при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

(1)

Всхожесть определяли по ГОСТ 12038-84. Для регистрации фосфоресценции при комнатной температуре (ФКТ) [Веселовский, Веселова, 1990], семена выдерживали над силикагелем 24 час и определяли ФКТ в отн. ед. в 3-х повторно-стях по 50 семян. Значения ФКТ распределяли по классовым интервалам. Определяли поглощение воды семенами при прорастании (ГОСТ 3040-55). У прорастающих семян гречихи исследовали из-

Рис. 1. Схема устройства для обработки семян ИД. Обозначения см. в тексте

менение массы сухого вещества зародыша и эндосперма в 2-х повторностях по 10 семян. Определяли активность ферментов в семенах [Третьяков и др., 1990]: активность а- и Р-амилаз (ед-г1) по гидролизу крахмала и реакции с раствором йода путем фотометрии при 656 нм; активность протеиназ (ед-г".1) по гидролизу альбумина при рН 3,0; 6,0; 8,0 путем фотометрии при 280 нм, активность липаз (ед-г"1) при рН 4,7; 7,0; 8,5 по гидролизу очищенного растительного масла путем титрования жирных кислот спиртовым раствором NaOH в присутствии ти-молфталеина, биологическая повторность 3-4-кратная. Определяли активность каталазы (мг Н202-мин"'т"') путем инкубации вытяжки с пероксидом водорода и титрования раствором перманганата калия [Филиппович и др., 1982], биологическая повторность 4-кратная. Содержание пролина в семенах определяли колориметрическим методом [Bates et all., 1973] по реакции с нингидрином в 3-кратной повторности.

Исследовали совместное действие ИД и пониженных температур на семена. Интактные и обработанные ИД семена гречихи проращивали в течение 6 час и подвергали действию температур -4, 0 и +4°С в течение 24 час.

Содержание фитогормонов - ИУК, зеатина, А3, АБК - определяли [Бере-стецкий, Варшавская, 1988; Генералова, 1988; Негрецкий 1988; Нефедьева, Мазей, 2009] в набухающих семенах и проростках в вегетационных опытах; в листьях среднего яруса в полевых опытах. Анализ проводили методом ВЭЖХ с использованием компьютерной программы Witichrom. В состав образца включали 20-40 выборочных проб, проводили 3 параллельных определения.

Определяли митотические и фазовые индексы (МИ и ФИ) корневых меристем проростков (48-58 час) в 3-4-кратной повторности (по 8-10 проростков в каждой). Синхронность митозов оценивали по относительному увеличению максимального МИ по сравнению со средним [Патент 2180474 РФ]. Выделяли конусы нарастания проростков ячменя и гречихи и измеряли их. Строение проводящей системы и внутреннее строение листа изучали на временных микропрепаратах. Все размеры определяли окуляр-микрометром МОВ-1-15* J10M0.

Измеряли длину главного и боковых побегов, междоузлий и корня растений. Объем корневой системы определяли методом вытеснения воды. Подсчитывали количество листьев, соцветий, боковых побегов. Площадь листьев определяли методом отпечатков. Определяли сухую массу корня, стебля, листьев, соцветий высушиванием при температуре 130°С в четырех повторностях по 510 растений. Определяли содержание хлорофиллов в спиртовой вытяжке путем фотометрирования на СФ-26. Рассчитывали удельную поверхностную плотность листьев, отношение общего содержания хлорофиллов к сухой массе растения, чистую продуктивность фотосинтеза, интенсивность накопления вещества, фотосинтетический потенциал, эффективность работы хлорофиллов,

сухую массу и площадь листьев, сформированные в течение онтогенеза, отношение массы плодов к поверхности и массе листьев в течение онтогенеза.

Для математического описания роста использовали функцию Б. Гомпертца [Шмидт, 1984]. По эмпирическим данным строили график функции

где А - окончательная длина побега, см; х - время, сут; атлЪ- константы, определяющие форму кривой, у - высота растений в момент времени х. Скорость роста определяли как производную у' [Шмидт, 1984].

Определяли ацидофицирующую активность корней проростков (мкМн+-г_| корней-ч'1', которые помещали на среду с 0,1 мМ СаБ04 и 1 мМ КС1 (рН 5,75 -5,78) и в течение 5-ти часов регистрировали изменение рН раствора. Повтор-ность 3-5-кратная по 10-15 растений [Воробьев, Егорова, Рубин, 1989].

Исследовали структуру урожая растений (количество плодов на растении, масса 1000 плодов, масса плодов с одного растения, колоса и единицы площади). Проводили мелкоделяночные опыты на площади от 1 до 10 м2 в 4-кратной повторности. После определения лабораторной и полевой всхожести семян рассчитывали норму высева во всех вариантах опыта на 1 м2 с тем расчетом, чтобы на этой площади было заданное число всхожих семян. Контролировали количество проростков на единице площади. На 1 м2 было в разные годы от 50 до 300 всхожих семян гречихи, 600 всхожих семян злаков. Если всхожесть семян в опыте не отличалась достоверно от контроля, норму высева не увеличивали.

Изучено варьирование количества плодов на растениях (41...49 вариант в выборке). Построены эмпирические и теоретические распределения. Показано соответствие распределений по %2 [Шмидт, 1984].

Исследования проводили в соответствии с фазами онтогенеза [Куперман, 1984]. Статистическую обработку проводили с учетом критерия Стьюдента, определяя достоверность при р<0,05. Использовали вариационный анализ [Шмидт, 1984]. На рисунках и в таблицах представлены средние арифметические и их стандартные ошибки.

ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УД АРНОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЕМЯН И СТИМУЛЯЦИИ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

Взрыв представляет собой процесс быстрого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу. Самым существенным признаком взрыва является резкий скачок давления, что служит причиной его разрушительного действия. Следствием быстроты возникновения давления и его большой величины является исключительная мощность [Андреев, Беляев, 1960; Баум и др., 1975].

(2)

Произведен расчет газообразных продуктов взрывчатого превращения гек-согена [Андреев, Беляев, 1960], поскольку они могут оказать влияние на семена: СзН6Ыз(Н02)з= 1,33 СО + 1,67 С02 + 1,67 Н2 + 1,33 Н20 + 3 N2 (3)

В табл. 1 приведены объемы газов, рассчитанные для н.у., и количество теплоты, выделяющееся при взрыве гексогена [Андреев, Беляев, 1960].

Таблица 1. Объемы газов (н.у.) и количество теплоты, выделяющиеся при

детонации гексогена в соответствии с технологическими режимами

Масса гексогена, г Количество теплоты, кДж Объем газа, мл

СО С02 н2 Н20 N2. Общий объем

1 5,4 134,1 168,4 168,4 134,1 302,5 907,6

2 10,9 268,3 336,8 336,8 268,3 605,1 1 815,3

4 21,8 536,5 673,7 673,7 536,5 1 210,2 3 630, 5

5 27,6 670,6 842,1 842,1 670,6 1 512,7 4 538,1

9 49,4 1 207,1 1 515,7 1 515,7 1 207,1 2 722,9 8 168,7

Рассчитаны [Баум и др., 1975; Пихтовников, Завьялова, 1964; Сансиев, 2009] и приведены в табл. 2 параметры УВ в момент ее взаимодействия с семенами. В УВ возрастает плотность воды, скорость УВ превышает скорость звука в воде с0 «1485 м-с'1. Мгновенное значение температуры на фронте УВ 300-302 °К, поэтому на семена преимущественно действует давление, а не температура. Характеристическое время, определяющее интенсивность падения давления в точке с течением времени, и величина импульса возрастают с увеличением ИД.

Таблица 2. Характеристики УВ, взаимодействующей с семенами

Показатель ИД, МПа

11 17 23 29 35 41

Плотность воды, г-см'3 1,005 1,008 1,010 1,012 1,015 1,018

Скорость УВ Д м-с"1 1491 1498 1507 1514 1523 1531

Температура Г на фронте УВ, °К 300 -ь 302

Характеристическое время в, мксек 13,9 16,1 17,2 19,6 22,7 25,4

Величина импульса У, Н-с-м '2 155 271 401 553 800 1057

В твердых телах при прохождении УВ возникают сдвиговые деформации, разрываются химические связи, происходит разрушение кристаллической решетки. Синтез веществ в УВ при ИД от 3 до 35 МПа маловероятен. Образование свободных радикалов происходит в УВ при высокой температуре, что невозможно в используемой схеме. Прочность растительных волокон превышает нагрузку в УВ, то есть образование разрывов и макрорадикалов маловероятно.

У семян в состоянии покоя физические воздействия оставляют скрытые повреждения, которые реализуются при переходе в жизнедеятельное состояние [Кузин, 1995]. Повреждения, возникшие при обработке ИД, развиваются при хранении семян (рост трещин, фазовые переходы полимеров). Полимеры в семенах находятся в разных фазово-агрегатных состояниях, а переход в стеклообразное состояние продляет жизнь семян [Bernal-Lugo, Leopold, 1998], что возможно при сжатии. Величина давления стеклования зависит от температуры и скорости воздействия [Бартенев, Френкель, 1990]. Наименьшее время релаксации (10" 8-10"9 с) меньше характеристического времени (табл. 2). Стеклообразные тела имеют высокие времена релаксации, поэтому дробятся при воздействиях с продолжительностью меньше времени релаксации. Изменение состояния полимеров чрезвычайно сложно. Оказывая влияние на параметры состояния биополимеров семян путем обработки ИД, мы способствуем изменениям параметров выхода из состояния покоя. В результате развивается последействие ИД у проростков и взрослых растений.

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ИД НА ПРОХОЖДЕНИЕ РАСТЕНИЯМИ РАННИХ ЭТАПОВ ОНТОГЕНЕЗА

Действие ИД на всхожесть семян некоторых видов растений. Реакция на ИД у семян разных видов была двух типов (рис. 2, а): огурец и томаты имели низкую выживаемость, а гречиха и ячмень - более высокую. Видны два метаста-бильных состояния и область перехода, в которой угол наклона кривой одинаков.

Рис. 2. Изменение всхожести семян под влиянием ИД: а-для разных видов (/ - огурец, 2 - томаты, 3 - гречиха, 4 - ячмень); б- в зависимости от исходной всхо жести (гречиха, 1 - семена с исходной всхожестью 87-93%, 2 - 80-87%, 3 - 70%)

Семена с разной исходной всхожестью неодинаково реагировали на ИД (рис. 2, б). У семян с исходной всхожестью 87-93% (кривая 1) обнаружено наибольшее снижение всхожести под влиянием ИД. У семян с исходной всхожестью 80-85% (кривая 2) и 70% (кривая 3) снижение всхожести после ИД были меньше, чем в предыдущем варианте, видна стимуляция всхожести семян при ИД 11 МПа. Видимо, к стимуляции более чувствительны ослабленные семена, которых больше в партиях со сниженной исходной всхожестью. Колебания всхожести при ИД 23 МПа указывали на нестабильное состояние, а снижение амплитуды этих колебаний при ИД 29-35 МПа свидетельствовало о состоянии стресса [Веселова и др., 1993]. Поскольку для семян со сниженной исходной всхожестью такие колебания были менее характерны, стрессу в большей степени были подвержены нормальные, а не ослабленные семена. Поскольку происходило снижение всхожести, ИД было фактором отбора семян.

Динамика качества семян под действием ИД. Исследовали фосфоресценцию при комнатной температуре (ФКТ) семян гречихи (рис. 3), что позволило оценить их состояние. Выделяют 3 фракции семян по ФКТ: I - образующие нормальные проростки, II - образующие проростки с морфологическими дефектами, III - мертвые семена [Веселова, 2008; Веселовский, Веселова, 1990]. В контроле (рис. 3) имелись максимумы в I и II фракциях. Распределение при ИД 11 МПа по х2 соответствовало контролю, а увеличение всхожести в партиях с низкой исходной всхожестью происходило за счет перехода семян II фракции в I фракцию. При ИД 29 МПа обнаружено смещение пиков вправо. Снижение всхожести было связано с переходом семян

0...4 5.Л0 11...20 21...30 31...40 41...50 51...60 61...70 СВ70 ФКТ, отн. ед.

Рис. 3. Распределение семян гречихи в партиях, обработанных ИД, и контроле по уровню ФКТ и внешний вид проростков:

1 - контроль, 2 - ИД 11 МПа, 3 - ИД 29 МПа

из I во II фракцию и образованием дефектных проростков. В контроле ФКТ и габитус проростка соответствовали. Несоответствие ФКТ и вида проростков при ИД - следствие активации роста семян И фракции при ИД 11 МПа и стрессового «ростового покоя» [Веселова и др., 1993] при ИД 29 МПа. Аналогичные результаты получены на семенах ячменя [Нефедьева, Мазей, 2007].

Поглощение воды при прорастании семян гречихи после обработки ИД. Исходя из того, что запуск прорастания связан с влажностью семян [Обручева и др., 1993], изучали действие ИД на поглощение воды семенами. Через 1 час (рис. 4, а) после обработки ИД влажность семян увеличилась относительно контроля из-за принудительного поступления воды. Через 24 час влажность возросла при ИД 11 и 35-41 МПа. Вероятно, ИД 11 МПа способствовало усилению набухания полимеров, а ИД 35-41 МПа вели к появлению микротрещин. Влажность семян (рис. 4, б, столбцы*) в контроле и после обработки ИД 11 МПа и высушивания при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния не изменилась, а при ИД 29 МПа снизилась, что указывало на их повреждение и соответствовало ФКТ. Поглощение воды (рис. 4, б) при ИД 11 МПа происходило быстрее, чем в контроле, а при 29 МПа - соответствовало контролю, но через 48 час снизилось. Поскольку семена, высушенные после обработки ИД, поглощали воду быстрее, чем те, которые проращивали сразу после обработки [Мазей, 2002], высушивание обеспечивало рост микротрещин.

„бОп

о4

м- 50

1 40 Н

¡2 30

я 20 1 10

2 о

19 л

-1-1-1-1-1-1

О 11 17 23 29 35 41 Давление, МПа

Рис. 4. Поглощение воды семенами гречихи в зависимости от ИД:

а - сразу после обработки: I - сухие семена, 2 -1 час, 3-24 час; б - после обработки, высушивания (*) и при проращивании: 1 - ко!проль, 2-11 МПа,5- 29МПа

о и

и о

б 2 2 А

ЙГ

г70 - 60

- 50 £

- 40 §

30 |

0 2 24 48 Время, час

1л

а ю

5 -

0 20 i

;i5

ríi

Г*1

S io н

0 20

rf15 н Í

Но Н

i i i i О б 12 24 36 48 72 96 120 Время, час

Перераспределение пластических веществ при прорастании семян гречихи после обработки

ИД. Изучено изменение сухой массы (СМ) зародыша и эндосперма семени при проращивании во влажной атмосфере (рис. 5). От 0 до 6 час происходило увеличение СМ семени (рис. 5, 2) из-за химического связывания воды при гидролизе полимеров, которое было заторможено при ИД 29 МПа по сравнению с контролем. В контроле через 12 час набухания СМ эндосперма и семени начали снижаться из-за активации дыхания и утечки электролитов [Браун, Моженок, 1987], а через 48 час СМ зародыша стала нарастать. При ИД 11 МПа снижение СМ эндосперма и семени началось через 12 час, но СМ зародыша увеличилась на 24 час позже, чем в контроле. При ИД 29 МПа снижение СМ эндосперма началось через 48 час, а накопление СМ зародыша происходило медленно. Переход опытных и контрольных проростков к авто-трофному питанию произошел одновременно в 96-120 час, что имело большую значимость [Мазей, 2002].

Рис. 5. Влияние ИД на изменение массы семени (1), зародыша (2) и эндосперма (3) при прорастании:

а - контроль, б - И МПа, в - 29 МПа

Поскольку коэффициент корреляции величины ИД с массой воды, включенной в состав сухого вещества семени за счет гидролиза полимеров составлял -0,87, с принудительным поступлением воды в течение 1 час после обработки 0,89, а со степенью торможения роста 0,94, продукты неферментативного взаимодействия воды и сухого вещества семени влияли на прорастание.

Активность гидролитических ферментов при прорастании семян после обработки ИД. Проведено исследование суммарной активности амилаз (рис. 6, 1) протеиназ (рис. 6, 2), липаз (рис. 6, 3), которая нарастала монотонно при ИД от 11 МПа до 23-26 МПа. Затем происходили стабилизация (амилазы)

Рис. 6. Влияние ИД на суммарную активность ферментов семени:

1 - амилазы (первая левая ось), 2 - протеиназы (вторая левая ось), 3 - липазь! (правая ось)

Давление, МПа

или уменьшение активности (протеиназы и липазы). При ИД 23-26 МПа были значительные колебания всхожести (рис. 2), уменьшалось поглощение воды (рис. 4). Таким образом, выявлены противоречия: при монотонном нарастании ИД увеличивалась активность ферментов в сухом семени, снижалось поглощение воды, замедлялось использование продуктов гидролиза зародышем семени. Аналогичные результаты были получены на семенах пшеницы [Атрощенко, 1997].

Активность каталазы и интенсивность дыхания при прорастании семян гречихи после обработки ИД. Дыхание - важный процесс, идущий при прорастании [Николаева, 1999], но его побочными продуктами являются активные формы кислорода (АФК). Явление постгипоксического окислительного стресса в семенах ведет к образованию ненормальных проростков [Веселова, 2008], антиоксидантные системы участвуют в стрессе и старении [Mitteler, 2002; Верхотуров, 2008]. На рис. 7 видно двухфазное увеличение активности каталазы в контроле; увеличение активности после 48 час согласуется с данными о развитии постгипоксического стресса [Веселова, 2008]. При ИД 11 МПа отсутствовал резкий подъем после 48 час. Поскольку интенсивность дыхания в этом варианте незначительно превышала контроль [Шиленков, 2006], могло происходить накопление АФК. При ИД 29 МПа активность каталазы увеличивалась в 24 час, затем снижа-

530

i 10 -

о 4-

г 500

11 17 23 29 35

Время, час

Рис. 7. Влияние ИД на активность каталазы прорастающих семян гречихи:

1 - контроль, 2-11 МПа, 5-29 МПа

лась и через 72 час была в 7 раз ниже, чем в контроле, а интенсивность дыхания возрастала [Шиленков, 2006], что могло вести к накоплению АФК и развитию постгипоксического окислительного стресса, тормозящего прорастание семян.

Действие ИД и пониженных температур на содержание пролина в прорастающих семенах гречихи. Совместные исследования [Шиленков, 2006; Шиленков и др., 2006; 2008] (табл. 3) влияния ИД на содержание пролина -фактора неспецифической устойчивости [Kathiresan, 1987] - показали, что в контроле его концентрация увеличивалась к 12-48 час в связи с началом гидролиза запасных веществ. В сухих семенах, обработанных ИД, количество пролина увеличилось относительно контроля, следовательно, во время хранения после обработки ИД в семенах включились защитные механизмы. При прорастании семян, обработанных ИД 11 и 29 МПа, количество пролина увеличилось, что указывало на адаптивный характер реакции на ИД.

Таблица 3. Влияние ИД на содержание пролина в прорастающих семенах гречихи, мкгт"1 сухой массы: M±m; п = 3; *- р<0,05 (относительно контроля)

Вариант опыта Время проращивания, час

0 6 12 24 48

контроль 122 ±8 117 ± 18 243 ± 24 157 ±25 232 ±31

11 МПа 219± 10* 513 ±21* 482±19* 355 ±19* 367 + 20*

29 МПа 135 ±7 223 ±13* 643 ± 26* 516+19* 345 ±24*

Показано [Шиленков и др., 2008], что пониженные температуры влияют на содержание пролина в меньшей степени, чем ИД. При совместном действии ИД 11 МПа и пониженной температуры отмечено самое высокое содержание пролина в семенах, следовательно, ИД 11 МПа не исчерпывало потенциальных метаболических возможностей семян, в отличие от ИД 29 МПа. Видимо, в последнем случае происходило нарушение метаболизма пролина, на что указывал меньший «вклад» пониженных температур в увеличение содержания пролина при их совместном действии с ИД.

Изменение гормонального баланса прорастающих семян и проростков гречихи под влиянием ИД. Как видно из рис. 8 [Мазей, 2002; Нефедьева и др., 2003; 2005], изменения содержания ИУК (рис. 8, а) и АБК (рис. 8, в) с одной стороны, и зеатина (рис. 8, б) с другой стороны, в прорастающих семенах были противофазными, то есть в прорастающем семени имелись системы саморегуляции. В 9-24 час при ИД уровень этих гормонов изменялся параллельно, что " вело к нарушению саморегуляции и торможению роста.

Т б 9 Время, час

ч а и и о X

400 350 300 ,250

§ 200 о 150

5 о

о1*

100 50 0

123 123 123 123

150 -I

ч § 100

50 -

123 123 123 123

200 1

150

§ юо Н

50 -

№

ИУК Зеатин ГА АБК

ИУК Зеатнн ГА АБК

ИУК Зеатин ГА Фитогормоны

АБК

Рис. 8. Влияние ИД на содержание фитогормоиов в прорастающих семенах (а, б, в) и проростках (г, д, е) гречихи:

а - ИУК, б - зеатин, в - АБК, г - 8 сут, д - 11 сут, побеги, е -11 сут, корни; 1 - контроль, 2-11 МПа, 5-29 МПа

В 8 сут (рис. 8, г) [Атрощенко, 1997; Нефедьева, Хрянин В.Н, 1999,а; Мазей, 2002; Нефедьева и др., 2003] в проростках количество АБК после ИД возросло в 2,5-2,8 раза относительно контроля, что вело к замедлению ростовых процессов. Выявлено увеличение концентрации зеатина на 10-34% (рис. 8, г).

АБК и зеатин - антагонисты в отношении роста и деления клеток, клеточной дифференциации, синтеза РНК и белков [БогШгщ, 1982]. Значительное превышение концентрации АБК относительно зеатина определило торможение физиологических процессов. Снижение концентрации ИУК (рис. 8, г) под действием ИД и повышенное содержание зеатина в проростках в 8 сут способствовало ослаблению апикального доминирования [ОогАн^, 1982] и инициированию закладки примордиев в конусе нарастания (рис. 11). Содержание А3 (рис. 8, г) снижалось при ИД, что тормозило роста побега. Изменения гормональной системы привели к ингибированию роста проростков.

В 11 сут в побегах (рис. 8, д) [Мазей, 2002; Нефедьева и др., 2003] при ИД 11 МПа наблюдали уменьшение АБК на 29% относительно контроля. Содержание гормонов-активаторов при ИД 11 МПа соответствовало контролю, при ИД 29 МПа превышало контроль. Увеличение уровня А3 было причиной восстановления роста проростков. Возрастание концентрации ИУК могло быть обусловлено наличием большого количество мест синтеза - примордиев, а высокие концентрации зеатина могли быть связаны с увеличением его синтеза в апикальных меристемах корней, где возрастала митотическая активность в возрасте 8 сут [Нефедьева, Хрянин, 1999, б]. В корнях 11-суточных проростков (рис.

8, е) [Мазей, 2002; Нефедьева и др., 2003] снижение уровня зеатина при 29 МПа обеспечило образование боковых корней. Уровень АБК возрос при ЙД до 2 раз относительно контроля. Гормон незначительно влиял на рост корня в длину рогАп^, 1982].

Изменения, возникшие при действии ИД, носили не эпизодический характер, а влияли длительно на физиологические процессы, в частности, способствовали раннему торможению и последующему восстановлению роста.

Особенности функционирования корневых меристем проростков гречихи после обработки ИД. Деления в корневых меристемах начинаются через 2 сут набухания [Иванов, 1974], что совпадает с постгипоксическим стрессом, ведущим к повреждению ДНК [Веселова, 2008]. Через 48-58 час набухания (рис. 9) средний МИ корневых меристем контрольных проростков гречихи (рис.

9, а) составлял 81%о. Относительное увеличение максимального МИ от среднего МИ равнялось 1,2, синхронность делений была выражена слабо. При ИД 11 МПа (рис. 9, б) средний МИ превысил контроль в 2,6 раза, а синхронность - на 50%. Накопление клеток в профазе и анафазе наблюдали параллельно с увеличением МИ. Эти фазы являются энергозависимыми, и их торможение могло

500 400-|

300

й 2001000

12. t-2

50 '52 ' 54 Т 56 ' 58

ИЛ

5001 400

о ч=

зоо-|

^ 2001000

V 1

4S-58 192 (8 сут)

Г100

60 # лГ

40 е 1-20 0

50 52 54 56 58

48-58 192 (8 сут)

Г100

-60 # И

г 40 0 20 О

Рис. 9. МИ и ФИ апикальных корневых меристем после обработки ИД:

а - контроль, 6-11 МПа, в-29 МПа; 1 - профаза, 2 - метафаза, 3 - анафаза, 4 - телофаза,

5 ~ средний МИ за 48-58 час,

6 - динамика МИ

быть связано с дефицитом метаболической энергии. При ИД 29 МПа (рис. 9, в) средний МИ был на треть ниже контроля, синхронность митозов возросла на 33% относительно контроля. Происходило накопление клеток в метафазе и анафазе, что указывало на нарушение образования веретена деления и патологию цитотомии. Возможно, деления с низким МИ и задержкой на фазах соответствовали делению инициалей.

Вероятны также задержки репликации ДНК у поврежденных семян в 44-48 час набухания, связанные с постгипоксическим окислительным стрессом [Ве-селова, 2008]. При анализе аномалий делений анафазно-телофазным методом во всех вариантах опыта аберраций хромосом не было обнаружено. Через 8 сут прорастания (рис. 9, 5) деления стали асинхронными. В контроле (рис. 9, а) МИ (89 %о) не изменился со времени 48-58 час. При ИД 11 МПа (рис. 9, б) МИ 8-сут проростков составил 108 %о, он понизился по сравнению с 2-сут, что могло быть связано с восстановлением повреждений митозов. При ИД 29 МПа (рис. 9, в) МИ возрос до 107 %>. Синхронизируя клетки меристемы к чувствительным фазам клеточного цикла и изменяя продолжительность фаз митоза, можно по-

52 54 56 Время, час

48-58 192 (8 сут)

высить чувствительность клеток к мутагенам, что важно для селекционно-генетических работ [Патент 2180474 РФ].

Последействие обработки семян ИД на формообразовательные процессы проростков. Изменения в апексах, возникшие на ранних этапах онтогенеза, создают предпосылки для более высокого урожая. ИД 11 и 29 МПа привели к увеличению диаметра (соответственно на 15% и 10%), высоты конуса нарастания (на 8-9%) и количества при-мордиев (соответственно на 21% и 78%) (рис. 10). Аналогично обнаружено [Мазей, 2002] на I - III этапах органогенеза увеличение размеров конуса нарастания ячменя при ИД.

Изменение роста апикальных меристем было связано со строением проводящей системы [Nefedieva, da Silva Teixeira, 2006]. Развитие 2 - общая площадь проводящих пучков (правая ось) проводящих элементов было

ускорено у проростков гречихи, обработанных ИД, относительно контроля (рис. 10). Аналогичные результаты были получены Н. Г. Мазей [2002].

Результаты подтверждены исследованиями проводящей системы огурца [Нефедьева, 2007]. В 7-18 сут у них сформировалось 6 пучков: 4 больших и 2 малых. При ИД 8 и 11 МПа площадь больших пучков превышала контроль. Рост малых пучков при ИД 8 и 11 МПа был заторможен в возрасте до 12 сут, затем ИД 8 МПа способствовало его активизации. Диаметр гипокотиля увеличился на 32% в 30 сут при ИД 8 МПа по сравнению с контролем.

Влияние ИД на рост и накопление массы проростками растений. У проростков гречихи после обработки ИД (рис. 11, а, б) [Нефедьева, 2003, б] в 6 сут рост побегов в длину был активизирован, а рост корня - подавлен (кроме ИД 11 МПа), так как корень первым начал рост, и раннее торможение отчетли-. во прослеживалось на нем. В 8 сут морфометрические показатели при ИД превышали контроль. В 12 сут прирост побегов и корней при ИД был замедлен от-

Контроль 11 23 Давление, МПа

Рис. 10. Последействие ИД на строение апикальных меристем проростков гречихи (8 сут) и развитие проводящей системы на уровне гипокотиля:

1 - общее количество сосудов (левая ось),

носительно контроля, что могло быть следствием усиления формообразования в конусах нарастания побегов. При ИД, несмотря на уменьшение общей сухой массы по сравнению с контролем, было усилено формирование листьев (рис. 11, в) и стеблей, что соответствовало развитию проводящей системы (рис. 10), [Nefedieva, da Silva Teixeira, 2006; Мазей, 2002].

Рис.11. Влияние 25

ИД на рост проростков гречихи:

а - длина побега, б - длина корня, в - сухая масса частей 8-сут проростка; I - контроль,

2-11 МПа,

3-29 МПа; к - корень, с - стебель, л - листья

§20 -I | 15

I 10 0

бОп

40-

S 30

3 20 -I

«15 -I

1 Ю

а 5

10-

гЬ гЪ

-S- л

л -9.

S-

с с

к Kv Ks

\ ч

б 8 12 Возраст, суг

0 11 29 Давление, МПа

Аналогичные результаты получены на растениях огурца [Нефедьева, 2007]. Общая площадь 1-4-го настоящих листьев при ИД 8 МПа в два раза превышала контроль. При ИД 11 МПа рост листьев был заторможен до 15 сут, затем общая площадь листьев возросла по сравнению с контролем на 10-15% за счет образования новых листьев.

Таким образом, под действием ИД в семенах произошли повреждения, они были реализованы при прорастании семян и сказались на протекании биохимических и физиологических процессов у растений. Замедление прорастания сменилось усилением ростовых и формообразовательных процессов. При малых ИД репарационные процессы заканчивались раньше, а при высоких - позже. Степень угнетения роста в начале онтогенеза, скорость восстановления и величина стимуляции роста растений зависели от дозы ИД. Изменения морфогенеза проростков будут реализованы в виде дозовых стратегий у растений.

ВЛИЯНИЕ ИД НА РОСТ, РАЗВИТИЕ И ПРОДУКТИВНОСЬ РАСТЕНИЙ

Последействие обработки семян ИД на рост растений. Высота растений и скорость роста (рис. 12) при ИД 11 МПа превышали контроль, но кривые были похожи по форме, а при ИД 29 МПа скорость роста была ниже, но она после

достижения максимума затухала медленно. Различались стратегии роста: при ИД 11 МПа происходило усиление роста стебля, создание «промежуточного акцептора» [Мокроносов и др., 2006] и захват пространства, а потом активизировалось образование междоузлий. При ИД 29 МПа формировались междоузлия, но их растяжение происходило по мере формирования ассимиляционного аппарата. Реакция огурца была аналогичной: высота растений при ИД 8 МПа превышала контроль, а при ИД 11 МПа было усилено формирование междоузлий, но их рост быстро останавливался.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Время, сут

Рис. 12. Действие ИД на рост побега гречихи в длину: 1 - кривая роста; 2 - скорость роста; а - контроль; 6-11 МПа; в - 29 МПа; столбцы обозначают количество междоузлий и их длину

о о

Лч / \

I Ч

0,3

0,2 Е? Л

-0,1 л и о

10 20 30 40 50 60 ■ 70 80 90

Рис. 13. Действие ИД на накопление 0,2 « сухой массы и относительную скорость роста (ОСР) гречихи:

1 £ 1 - сухая масса; 2 - ОСР;

а - контроль; 6-11 МПа; в - 29 МПа

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Накопление сухой массы (рис. 13) при ИД 11 МПа происходило более интенсивно, чем в контроле, а при ИД 29 МПа кривая была более пологой. Максимальная относительная скорость роста (ОСР) при ИД 11 МПа превышала контроль на 35%, а при ИД 29 МПа - на 58%, что могло быть причиной увеличения продуктивности растений.

Формирование боковых побегов у растений гречихи, обработанных ИД. В связи с увеличением числа метамеров (рис. 12) возникли предпосылки к усилению ветвления. У гречихи за счет ветвления развивается ассимилирующая поверхность и образуются соцветия, что обеспечивает продукционный процесс [Алексеева, Паушева, 1988]. В контроле (рис. 14) формирование боковых побегов завершилось к фазе цветения, а у растений, обработанных ИД - продолжалось до фазы плодоношения, число боковых побегов превышало контроль. Во всех вариантах, включая контроль, прирост междоузлий на боковых побегах продолжался до фазы плодоношения. Максимальная скорость прироста метамеров была при ИД 29 МПа, что обеспечило образование наибольшего количества соцветий. Изменения дайны боковых побегов первого порядка были аналогичны изменению длины главного побега, кроме ИД 29 МПа, где показатель был меньше, чем в контроле [Шиленков, 2006]. Видимо, растения экономно расходовали вещества на рост, что подтверждает существование различных стратегий адаптации, развивающихся при ИД 11 и 29 МПа.

Влияние ИД на формирование листьев гречихи. В контроле (рис. 15) наибольшее количество листьев, их общая и средняя площадь были в фазе цветения, потом началось опадение листьев. При ИД 11 МПа количество листьев, сухая масса (рис. 13), общая и средняя площадь листьев превышали контроль. В фазу плодоношения опадали крупные листья. При ИД 29 МПа в фазу цветения число листьев было больше, чем в контроле, но их общая площадь и средняя площадь уменьшились, формировались мелкие листья, меньше опадало листьев в фазу плодоношения. При ИД 11 МПа динамика формирования листьев соответствовала контролю, но процесс был активизирован. При ИД 29 МПа динамика отличалась от контроля. Аналогично изменялась площадь листьев ячменя.

я 2,5

о. о С '

<3 2,0

15« 1г3

■ и о ю

§1,0 -|

К о о

о 0,5 -1

Б Ц П

Фаза онтогенеза

Рис. 14. Действие ИД на количество боковых побегов 1-го порядка:

1 - контроль, 2-11 МПа, 5-29 МПа; Б - бутонизация, Ц - цветение, Я-плодоношение

§ И |

о б -

Ё 4 -§

2 Н

Ш1

Нл Б Ц П

Фаза онтогенеза

Я о

| 1-

ю О

та.

Нл Б Ц П

Фаза онтогенеза

ч 0,3«

: 0,2-

0,1-

а> а

Нл Б Ц П Фаза онтогенеза

Рис. 15. Действие ИД на формирование листьев растений гречихи:

а -количество листьев; б - общая площадь листьев; в - средняя площадь листа;

1 - контроль, 2-11 МПа, 3-29 МПа;

Нл - фаза 1-го настоящего листа, Б- бутонизация, Ц- цветение, Я - плодоношение

Влияние ИД на формирование корневой системы гречихи. Ацидофи-цирующая активность корней [Воробьев и др;, 1989] у проростков в 8-12 сут при ИД 11 МПа возрастала до 2,2-4,2 раз по сравнению с контролем, при ИД 23 МПа - на 24-27%, а при ИД 29 МПа снижалась на 66-79% от контроля [Нефедь-ева, 2003, а] (рис. 16), что указывало на отличия в ионном метаболизме, потенциальной продуктивности и устойчивости растений [Пухальская и др., 2007].

Время, ч

0 1 2 3 4 5 Время, ч

0 1 2 3 4 5

Время, ч

Рис. 16. Влияние ИД на ацидофицирующую активность корней гречихи:

а - 8 сут, б - 10 сут, в - 12 сут; 1 - контроль, 2-11 МПа, 5-23 МПа, 4- 29 МПа

Рис. 17. Влияние ИД

на рост корня растений гречихи:

а - сухая масса, б - объем, в - отношение

массы к объему; 1 - контроль, 2- 11 МПа, 3-29 МПа; обозначение фаз онтогенеза как на рис. 15

ИД 11 МПа привело к увеличению, а ИД 29 МПа - к снижению сухой массы корня, а объем корневой системы увеличился у растений, обработанных ИД, по сравнению с контролем (рис. 17, а, б). Позже показатель увеличился при ИД 11 МПа и снизился при ИД 29 МПа относительно контроля. Следовательно, при ИД 11 МПа у корня преобладала запасающая функция, а при ИД 29 МПа большую значимость приобретали рост и ветвление.

Участие фитогормонов в развитии реакции растений на действие ИД в фазы цветения и плодоношения. ИД вызвало колебания содержания фитогормонов (табл. 4) [Нефедьева, Хрянин, 1999; Nefedieva, 2002,2003].

Отношение (ИУК+зеатин+Аз)/АБК (табл. 4), характеризующее степень благоприятности гормональной ситуации для роста, было увеличено в фазу цветения-начала плодоношения, когда высота растений и масса корней (рис. 12, 17) при ИД 11 МПа были больше, чем в контроле. Отношение зеатин/АБК было соответственно 5,5; 18,7; 11,8 в контроле и при ИД 11 и 29 МПа, что благоприятствовало накоплению и оттоку ассимилятов из листа [Пузина, Король, 2007].

Уровень АБК в листьях при ИД 11 и 29 МПа возрос в фазу плодоношения (табл. 4), гормон способствовал разгрузке флоэмы [Kefeli et al., 1989] и накоплению веществ в семени [Goldbach and Michael, 1977], это было одной из причин увеличения продуктивности. Содержание зеатина при ИД 29 МПа возросло в фазу плодоношения, что могло вести к повышению продуктивности за счет активации разгрузки флоэмы цитокининами [Ron'zhina et al., 1994]. Ауксины влияют на созревающие плоды путем регуляции синтеза этилена [Miller et al., 1987], экспрессии некоторых генов [Trainotti et al., 2007]. ИУК и цитокинины способствуют накоплению Сахаров в запасающих органах частично за счет уси-

250 -I

200 -

Е150 i

JlOO 50 Н 0

4 п

3 -

§2

\о

Нл Б Ц П Фаза онтогенеза

0 г

Нл Б Ц П

Фаза онтогенеза

ления активности протонных помп вакуолярной мембраны - важных участников механизма транспорта метаболитов в клетке [Озолина и др., 2007]. Увеличение продуктивности при ИД 11 МПа было связано с повышением уровня АБК, а при ИД 29 МПа - АБК, зеатина и ИУК в фазу плодоношения (табл. 4).

Таблица 4. Содержание фитогормонов в листьях среднего яруса растений гречихи после обработки семян ИД,

нмоль- г"1 сырой массы; М±т; п=4; *-р<0,05*

Давление, МПа Содержание фитогормонов, нмоль - г"1 сырой массы

ИУК Зеатин Аз АБК (ИУК + зеатин + Л,) АБК

Фаза цветения-начала плодоношения

0 276±24 1388±13б 463± 41 251±22 8,5

11 370±37* 1082±103 347± 34 58±8* 31,0

29 453±43* 1364±125 532± 51* 116±11* . 20,3

Фаза плодоношения

0 864±75 69б±63 389± 38 89±8 21,9

11 865±75 771±76 139±14* 116±10* 15,3

29 1203±112* 903±84* 240±23* 125±12 18,8

Нарушения гормональной системы зависели от дозы воздействия: малые дозы способствовали преимущественному накоплению активаторов, высокие -накоплению ингибиторов и торможению вегетативного роста.

Донорно-акцепторные отношения и продуктивность растений после обработки семян ИД. ИД 11 МПа способствовало увеличению УПП листьев, ИНВ, фотосинтетического потенциала, накоплению СМ целым растением и его листьями (рис. 18). Эти реакции можно считать экстенсивными, поскольку отношение массы плодов к поверхности и массе листьев, сформированной в течение онтогенеза (ИПЛ, ИСМЛ, рис. 18, и) не увеличивалось относительно контроля. При ИД 29 МПа возросла эффективность работы хлорофиллов в фазу плодоношения. В связи с тем, что отношение массы плодов к поверхности и массе листьев, сформированной в течение онтогенеза (ИПЛ, ИСМЛ, рис. 18, и) превысило контроль, в этом варианте преобладал приток ассимилятор в плоды.

Оценить «резервную емкость» можно по интенсивности накопления вещества (ИНВ) [Харькина, Марковская, 1999] - отношению СМ листьев к длине побега растений (рис. 18, г). При ИД 11 МПа ИНВ превышала контроль. При ИД 29 МПа в фазы первого настоящего листа и бутонизации ИНВ превышала контроль, поскольку происходил медленный прирост стебля в длину (рис. 12), а в фазу цветения и плодоношения была меньше, чем в контроле. Поскольку ве-

160-1 "ал 20

Ч С

Й 80 §

I 40

123 а |Н 123 123

т Й

123

-Т 45

£ и 8

ё я 30-

о и

в-

15-

Нл Б Ц П

Фаза онтогенеза Г 123

123

0 +

123

ГШ

Нл Б Ц П Фаза онтогенеза

90-,

60-

30-

1 2 3

А.

701

£ 60-

50-

и 40-

0 4> 30-

1 20-

Е 10-

123 123

Б Ц П Фаза онтогенеза

СМ общая СМ листьев

60 50 & 40

гч

I 30 ЕГ ё20 10

&120

*Е

ё 80-] §

I 40

I ' §

Ё 0 й

Ц П

Фаза онтогенеза з

50 л - 40-

^ 30 Я ч

^ 20-1 е

■е-

о а

ё й 60 в 3

■ей ^ г,- 30

п к

Фаза онтогенеза е

Б Ц П Фаза онтогенеза

ь 1,6

ч 1,2

0,8

| 0,4

8 .о

- 0,2

0,3

мп/ипл мп/исмл

ОД §

о §

Рис. 18. Показатели, характеризующие продуктивность растений гречихи после обработки семян ИД:

а - удельная поверхностная плотность (УПП) листьев; б - отношение общего содержания хлорофиллов (ОХ) к сухой массе (СМ) растения; в - чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ); г - интенсивность накопления вещества (ИНВ), д - фотосингетический потенциал (ФСП), е - эффективность работы хлорофиллов, ж - СМ, сформированная в течение онтогенеза; з - площадь листьев, сформированная в течение онтогенеза; и - отношение массы плодов (МП) к поверхности и массе листьев, сформированным в течение онтогенеза; 1 - контроль, 2-11 МПа, 3-29 МПа; обозначение фаз онтогенеза как на рис. 15

щества накапливались в «промежуточных акцепторах» - корне, стебле [Мокро-носов и др., 2006], при ИД 29 МПа этот процесс протекал ограниченно.

Продуктивность растений определяется чистой продуктивностью фотосинтеза (ЧПФ) [Ничипорович, 1979]. У растений, обработанных ИД (рис. 18, в), ЧПФ несущественно превышала контроль или была ниже; одной из причин могла быть трата веществ на формообразование.

На рис. 19 показана СМ частей растения и изображены площади элементов флоэмы (ЭФ) и ксилемы (ЭК). В фазу бутонизации общая СМ не изменялась при ИД 11 МПа и снижалась при ИД 29 МПа относительно контроля. Увеличилась СМ листьев при ИД 11 МПа. При ИД доля корней от общей СМ уменьшилась, но площадь ЭК стебля возросла относительно контроля в 1,4-2,1 раза. Общая площадь ЭФ снизилась при ИД, что вызвало торможение роста корня.

В фазу цветения СМ стеблей увеличилась по сравнению с фазой бутонизации. СМ листьев при ИД 11 МПа была в 2,2 раза больше, чем в контроле. В нижних частях стебля площадь ЭК превышала контроль на 48% при ИД 11 МПа и на 92% при ИД 29 МПа. Площадь ЭФ выросла на 24% при ИД 11 МПа, что обеспечило накопление сухой массы корня, и не изменилась при ИД 29 МПа по сравнению с контролем. СМ соцветий увеличился в 1,6-1,3 раза после ИД 11 и 29 МПа соответственно. Усиленное развитие ЭК и ЭФ черешка листьев у растений, обработанных ИД, соответствовало увеличению СМ листьев.

Изменения проводящей системы растений были связаны с содержанием фитогормонов (табл. 4). ИУК стимулировала образование и дифференцировку ЭК, а гиббереллины - ЭФ [Т)огАт§, 1982]. При ИД возросло содержание ИУК по сравнению с контролем (табл. 4), и увеличилась площадь ЭК (рис. 19). Содержание А3 снизилось относительно контроля при ИД 11 МПа, уменьшилась площадь ЭФ в стебле (рис. 19).

В фазу плодоношения при ИД 11 МПа общая СМ увеличилась в 1,3 раза, СМ корней и листьев возросла в 2-3 раза, а СМ соцветий увеличилась на 22,6% по сравнению с контролем. При ИД 29 МПа общая СМ не изменилась, но СМ стебля и листьев возросла на 50% и 27% соответственно по сравнению с контролем. СМ соцветий увеличилась в 2,3 раза по сравнению с контролем. Доля хозяйственного урожая Кхт в контроле составляла 20,35%, при ИД 11 МПа -20,36%, при ИД 29 МПа - 43,16%, следовательно, эти растения преимущественно перемещали ассимиляты в соцветия. Площадь ЭФ стебля, черешка листа и цветоноса (рис. 19) превышали контроль у растений, обработанных ИД, что могло свидетельствовать об оттоке веществ из корня и листьев в соцветие.

В контроле и при ИД 11 МПа в фазу цветения образовалось такое количество соцветий (рис. 20), какое растение было не в состоянии обеспечить пластическими веществами, и часть их сбрасывалась, так как при неблагоприятных

Бутонизация

Цветение

КС фл

л * * ПЙ

г л 1*1 л

ст Г ст гП ст

к К- к

КС фп *

пП

КС фл й

-11Г

ЕС фл й

КС фл

сц

КС фл *

КС фл

А *

3 ' 1

Плодоношение 4-,

ЕС фл КС фл

Г 15'

■-¡•л

КС фп

ст

-10'

кс фл *

сП

Г 60

О —г О

-г

50 £

г 40 5

-30

15'

ОН- О

а о

- 50

-40

ч«

30 | |

20 3 В

В-

ю & а

ю О

Рис. 19. Влияние ИД на распределение сухого вещества в частях растения гречихи и площадь проводящих тканей стебля, черешка листа

и цветоноса: к - корень, с - стебель, л - лист, сц - соцветия; кс - ксилема, фл -флоэма; 1 - контроль, 2-11 МПа, 3-29 МПа

условиях гречиха перераспределяет ток ассимилятов к вегетативным органам в ущерб завязям [Фесенко, 2002]. ИД 11 МПа способствовало увеличению количества соцветий и прироста их СМ по сравнению с контролем. ИД 29 МПа привело к тому, что соцветия образовывались с постоянной скоростью, пластические вещества расходовались более экономно, что позволило обеспечить наибольший из всех вариантов прирост СМ соцветий.

14 -|

12 -

1 10 -

о и 8 -

0 б -

а>

| 4 -

2 -

0 -

Рис. 20. Действие ИД на формирование соцветий гречихи:

1 - контроль, 2-11 МПа, 3- 29 МПа; обозначение фаз онтогенеза как на рис. 15

Б Ц П

Фаза онтогенеза

ИД 11 МПа способствовало относительно равномерному накоплению СМ, поэтому повышение урожайности было не столь значительным. ИД 29 МПа привело к уменьшению общей СМ в течение онтогенеза, а увеличение массы соцветий и плодов было связано с медленным накоплением и перераспределением веществ.

Влияние ИД на формирование урожая у растений гречихи. Масса плодов с 1 растения гречихи в течение 15 лет различалась, что зависело от погодных условий и качества семян, а относительные значения, выраженные в процентах от контроля (рис. 21), лучше характеризовали влияние ИД. При ИД 8 МПа продуктивность не изменялась, при ИД 11-20 МПа увеличивалась на 15-60%, при ИД 29-35 МПа возрастала в 1,5-3,5 раза. При ИД 23-26 МПа у урожайности, как и всхожести, увеличивалась вариабельность, что характеризовало переход из одного стабильного состояния в другое [Веселова и др., 1990]. Малые ИД оказывали большее стимулирующее влияние на семена с низкой всхожестью по сравнению с высокими ИД (рис. 21, 2). У семян с высокой всхожестью (рис. 21, 1) наибольший стимулирующий эффект был при действии высоких ИД, но они более значительно снижали всхожесть в этих партиях семян (рис. 2, б).

Из рис. 22 видно, что ИД активизировало формирование междоузлий, ветвление и рост боковых побегов (1,2,3), возросло количество соцветий на главном и на боковых побегах 1-го порядка (4, 5, 6), играющих основную роль в формировании семенной продуктивности и качественного семенного материала (Сальников, 1992). В контроле отношение числа соцветий на боковых побегах к числу этих побегов составляло 3,3, а при ИД 11 и 29 МПа - соответственно 2,8 и 3,6. При ИД 11 МПа усиление ветвления не обеспечило увеличение числа соцветий так же значительно, как при ИД 29 МПа. Масса плодов на растении гречихи увеличилась преимущественно за счет числа вызревших плодов (8), т.к. масса 1000 плодов (11) практически не изменялась. Доля вызревших плодов (8) от их общего количества (7) в контроле составляла 88,8%, а при ИД 11 и 29 МПа - соответственно 67,6 и 68,2%. Уборку урожая проводили одновременно, при созревании контрольных растений, но при продлении вегетационного периода для опытных растений можно было получить большее увеличение урожая.

8 И 14 17 20 23 26 29 Давление, МПа

Рис. 21. Влияние ИД на продуктивность (массу плодов) гречихи в зависимости от исходной всхожести семян:

1 - для исходной всхожести

семян 80-93%, .

2 - для исходной всхожести

семян 70 %

50-,

30-

20-

зМ

абв гГП 1а1б

а б]

|а|б|в|, Ыб1в

з!б1в

5 6 7 Показатели

аШш

10 и

г 100

-80

60 и

-40

Рис. 22. Влияние ИД на структуру урожая и морфологические особенности растений гречихи (фаза восковой спелости):

а - контроль, б - ИД 11 МПа, в - 29 МПа; по левой оси: 1 - число междоузлий на главном побеге, 2 - число боковых побегов 1-го порядка, 3 - число междоузлий на боковых побегах 1-го порядка, 4 - общее число соцветий^ 5 - число соцветий на главном побеге, 6 - число соцветий на боковых побегах 1-го порядка, 7 - общее число плодов, 8 - число вызревших плодов, 9 - число невызревшйх плодов; по правой оси: 10 - масса плодов со 100 растений, 11 - масса 1000 плодов

Проведен анализ варьирования количества плодов на растениях. В контроле (рис. 23, 1) кривая была двувершинной, что могло быть вызвано неодновре-

менным созреванием и осыпанием плодов [Алексеева, Паушева, 1988]. Наименьшее число плодов на растении было 6 штук, наибольшее - 88 штук. Поскольку всхожесть семян не изменилась относительно контроля, ИД 11 МПа (рис. 23, 2) оказало стимулирующее действие: появились растения с таким большим числом плодов на растении, какое не было в контроле (122 плода). При ИД 29 МПа (рис. 23, 3) усилились признаки многовершинности, давление отбора действовало на растения, имеющие средние значения количества плодов, появились высокопродуктивные растения (до 239 плодов).

20 I П | III

18 - А1 !

16 - г 1 1 Рис. 23. Распределение частот

14 ■ 1 « варьирования количества вызревших

12- 1 1 ! / М ■ ! плодов растений:

1 - контроль, 2-11 МПа, 3-29 МПа,

10 - / * ! 1 4-Щ И МПа и отбор 25%

8 -6 -4 -2 -0 - 1 а 1 ^ц. А \ ! V ^н-.-1-1— ■ 1 Д. 2'. Л V. 1 . а...&' л -,-,-г—1,-г- малопродуктивных особей 3 д V 'б—а—а''

-1-1-1-Н-1-1-1-Ч-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

18 31 46 56 68 81 93 118 143 168 193 218 243 Класс

Дисперсионный анализ показал, что при ИД 11 МПа и отборе 25% малопродуктивных особей доля влияния стимуляции составила 68,8%, отбора - 22,7%, совместного действия отбора и стимуляции - 1,8%, случайных факторов - 6,7%. Однако, вариационный ряд, полученный при исключении низкопродуктивных особей из ряда 11 МПа, не соответствовал вариационному ряду 29 МПа по критерию %2 и среднему значению (рис. 23,4). Смещение кривой в область более высоких значений продуктивности оказало влияние на повышение урожая.

На основании анализа ранжированных вариационных рядов контроля и 29 МПа был смоделирован вариационный ряд, тождественный ряду ИД 29 МПа по критерию х2, в котором учитывали степень стимуляции под влиянием ИД 29 МПа и отбирали 50% особей, так, чтобы количество вариант в классовых интервалах соответствовало ряду ИД 29 МПа; для достижения тождественности рядов были исключены варианты из разных участков ряда. Можно предположить, что под действием ИД 29 МПа были элиминированы из выборки особи с различными значениями продуктивности. Дисперсионный анализ показал, что

доля влияния стимуляции в смоделированном ряду составляла 97,4%, отбора-0,8%, прочих факторов - 1,8%.

Урожай растений увеличивался премущественно за счет появления высокопродуктивных особей, а не элиминации низкопродуктивных особей. Под влиянием ИД произошли изменения в структуре опытной партии: появились стимулированные семена. Под влиянием ИД увеличивался урожай растений, полученных из семян с разной исходной всхожестью, в том числе из элитных семян. Следовательно, действие ИД сводится не столько к выбраковке семян, из которых образуются низкопродуктивные растения (что можно получить более простыми методами), а к стимулированию физиологических процессов в семенах и растениях, ведущих к увеличению урожая, и отбору форм (при существенном снижении всхожести), устойчивых к данному воздействию.

В контроле, при ИД 11 и 29 МПа происходило смещение главного пика (рис. 23). Можно выделить растения с нормальным габитусом (I), растения, склонные к накоплению вегетативной массы и увеличенной продуктивностью (И) и растения, не склонные к накоплению вегетативной массы, но с чрезвычайно высоким количеством плодов (III). Следовательно, действие ИД приводило к изменению габитуса растений и к изменению продуктивности.

ИД 11 МПа приводило к повышению урожая на 15-40% в разные годы за счет экстенсивных адаптаций - активизации роста и накопления ассимилятов; благоприятное действие оно оказало на семена с низкой всхожестью. ИД 29 МПа привело к изменениям донорно-акцепторных отношений и повышению урожайности до 2,4 раз за счет появления высокопродуктивных растений. Принимая гипотезу «биологического триггера» [Веселов, 2001; Веселовский и др., 1993], можно считать, что имеются состояния, отличающиеся морфологически и физиологически и соответствующие контролю и давлениям 11-17 и 29-35 МПа.

Влияние ИД на наследование продуктивности растений гречихи первого семенного поколения (М]) и варьирование этого признака. Из табл. 5 видно, что эффект малых давлений не сохранялся в первом семенном поколе-, нии М|, а эффект высоких давлений существенно уменьшился.

Таблица 5. Число плодов у растений гречихи сорта Аромат первого семенного поколения после обработки семян родительского поколения ИД; * - р < 0,05

Поколение Показатель ИД, МПа

0(контроль) 17 29

Родительское Р М±т 36,3 ±3,1 39,1 ±3,5 92,2 ± 9,2*

У = о/М 0,589 0,632 0,702

Первое семенное М] М±т 35,6 ±3,4 28,2 ± 3,6 49,5 ± 5,0*

V = <г/М 0,665 0,886 0,709

Класс Класс

Рис. 24. Распределение частот варьирования числа плодов у растений гречихи в родительском (РЛ и первом семенном (М]) поколениях:

М,: 1 - контроль; 2-17 МПа; 3-29 МПа; Р. : 4 - контроль; 5 -17 МПа; 6-29 МПа

Распределение контрольных растений по числу плодов (рис. 24) отличались (РооО от кривых, построенных для 17 МПа и 29 МПа в Р;;. Кривые для контроля поколений Рс и М] были одинаковы по у\ Кривые, построенные для растений в контроле, при ИД 17 МПа и ИД 29 МПа поколения М], не отличались по х2. поэтому о наследовании признака нельзя говорить утвердительно. Распределение по числу плодов у растений, обработанных ИД, у родительского поколения и поколения М] различались (Р<хп)- Увеличение вариабельности V (табл. 5) указывало на нестабильное состояние. При ИД 29 МПа в обоих поколениях появлялись растения с высокой продуктивностью (рис. 24). Эффект стимуляции, видимо, имел наследуемый характер, но он затухал от родительского семенного поколения к первому семенному поколению.

Продуктивность растений как результат сопряженной устойчивости к действию ИД и другим факторам среды. В совместных работах [Шиленков и др., 2003; 2006; Шиленков, 2006] было показано, что у растений, обработанных ИД, проявилась большая устойчивость к затенению (табл. 6).

Таблица 6. Продуктивность растений гречихи в разных условиях освещения:

количество плодов на 1 растении; п=31+40; M±m; * - р < 0,05

Вариант опыта Контроль 11 МПа 17 МПа 23 МПа 29 МПа

Освещенные делянки 58,2±4,9 120,4±7,5* 94,2±6,0* 88,2±6,8* 87,7+6,1*

Затененные делянки 26,4±1,9 29,5+2,7* 44,8±3,4* 57,9+4,7* 40,3+5,0*

Увеличение продуктивности на затененных делянках было мене? значительным, чем на освещенных, кроме ИД 23 МПа. Растения при недостаточном освещении не могли полностью реализовать потенциальную продуктивность, а стимулирующий эффект ИД не проявлялся в полной мере. Увеличение продуктивности в неблагоприятных условиях при действии ИД свидетельствовало, что растения еще не исчерпали потенциал продуктивности. Свет был фактором, ограничивающим продуктивность растений, поскольку при стимуляции не удалось достичь значений, превышающих контроль на освещенных делянках. Следовательно, ИД способствовало более полной реализации потенциальной продуктивности растений в благоприятных и неблагоприятных условиях, но наибольший эффект можно получить в первом случае.

Показано (табл. 7), что ИД активизировало процесс предпосевного холодо-вого закаливания [Патент 2377753 РФ]. ИД свыше 5 МПа вызывало повышение продуктивности растений, но не устойчивости к холоду, а действие ИД 4-4,5 МПа на семена, предварительно замоченные для повышения чувствительности к воздействию и подвергнутые кратковременному охлаждению, привело к увеличению всхожести и продуктивности при испытаниях 2-сут проростков холодом. Действие температуры +4°С в течение 6 час на семена, предварительно замоченные в воде на 24 час, но не прошедшие обработку ИД, не повысило устойчивость к низким положительным температурам (табл. 7).

Таблица 7. Всхожесть семян и продуктивность растений гречихи после предпосевного закаливания путем действия ИД и температуры +4°С:

п=4;М±ш; *-р£0,05

Вариант опыта Показатель Продолжительность действия температуры +4°С при испытаниях, час

0 6 18

Контроль Всхожесть, % 90,0 ±0,6 87,0 ± 1,2 68,0 ± 0,6

Кол-во плодов 26,4 ± 1,9 24,2 ± 1,3 11,4 ±0,9

5 МПа Всхожесть, % 85,1 ± 1,0* 79,4 ± 0,8* 58,9 ±0,8*

Кол-во плодов 30,4 ±2,1* 21,7 ±1,6* 9,8 ±0,9*

Вода 24 час / +4 °С, 6 час Всхожесть, % 90,2 ± 0,7 85,0 ± 1,4 70,4 ± 0,8

Кол-во плодов 25,8 + 1,7 25,0 ±1,5 13,2 ±1,6 .

Вода 24 час / ИД 4,0 МПа/ +4°С, 6 час Всхожесть, % 89,2 ±1,1 91,0 ±0,7* 82,9 ±0,8*

Кол-во ПЛОДОВ 27,3 ±2,5 28,6 ±1,8 15,7 ± 3,4*

Вода 24 час / ИД 4,5 МПа/+4°С, 6 час Всхожесть, % 90,7 ±1,2 94,0 ± 0,6* 85,7 ±0,9*

Кол-во плодов 29,5 ± 2,2 * 30,6 ± 2,4* 17,9 ±1,4*

Выявлено повышение устойчивости к засухе и засолению [Шиленков и др., 2003; Шиленков, 2006] у растений при действии низких ИД. Следовательно,

под влиянием низких ИД активизируются физиологические процессы в пределах физиологической нормы, а при высоких ИД усиливается формирование плодов, но не устойчивость к неблагоприятным факторам.

Изменение продуктивности растений в процессе хранения семян после обработки ИД. Всхожесть (рис. 25, а) в контроле была 90-97%, а через 12 мес хранения снизилась в результате старения. При действии ИД через 6 мес всхожесть снизилась по сравнению с всхожестью, определенной сразу после обработки, а через 12 мес - возросла. Поскольку репарации в покоящихся семенах невозможны, такие явления можно считать бимодальными изменениями всхожести [Веселовский и др., 2006].

100 г? 80 160

40200

-ь

гЙ1

0 б 12 Срок хранения, мес

1,61 и 1,2

0,4 0-

0 б 12 Срок хранения, мес

Рис. 25. Влияние ИД на изменение всхожести семян и продуктивности растений при хранении обработанных семян:

а - всхожесть, б - масса плодов с 1 растения; 1 - контроль, 2 - 11 МПа, 5-29 МПа

Эффект стимуляции урожая при одинаковой плотности растений (рис. 25, б) сохранялся в течение года, несмотря на колебания всхожести.

Влияние предпосевной обработки ИД на продуктивность растений разных видов. Проведены исследования продуктивности растений гречихи, ячменя, огурца и томатов (рис. 26), которые показали однотипность реакции растений разных видов на действие ИД и видоспецифичность дозовой зависимости, которая имела два максимума. В области первого максимума продуктивность растений увеличивалась на 10-30% без снижения всхожести. В области второго максимума всхожесть снижалась, но продуктивность увеличивалась до 2-х раз в посевах с плотностью, соответствующей контролю. Предполагается наличие двух стратегий развития событий. Существуют области, в которых снижение всхожести отсутствует или незначительно, а повышение продуктивности существенно с точки зрения практики сельского хозяйства.

Рис. 26. Действие ИД на всхожесть и продуктивность растений:

а - гречиха сорта Аромат,

б-ячмень сорта Одесский 100, в - томаты гибрида р! Карлсон, г - огурец гибрида Р] Эстафета

Стимулирующее действие ИД было подтверждено в сельскохозяйственных опытах. Метод был внедрен во ВНИИ агролесомелиорации РАСХН г. Волгограда и хозяйствах гг. Пензы, Тамбова, Саранска. Использование метода на площади 1 га при среднем урожае томатов и огурца 20-30 кг-м-2 в зимне-весеннем обороте позволит получить прибавку урожая 35-45 т. Затраты на обработку семян составляют от долей до нескольких процентов от дополнительной прибыли.

ВЫВОДЫ

1. Предложен метод предпосевной обработки семян ИД, отличающийся высокой интенсивностью, проникающей способностью и точностью дозировки. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что ИД в интервале 335 МПа не приводит к острой летальности, определяемой по уровню ФКТ, и элиминации малопродуктивных особей, но способствует стимулированию физиологических процессов в семенах и растениях, ведущих к увеличению урожая, и отбору форм (в дозах, снижающих всхожесть), устойчивых к воздействию;

2. Путем анализа и обобщения экспериментальных данных обнаружены немонотонные изменения интегральных характеристик организменного уровня организации - всхожести, роста, распределения веществ и продуктивности растений, позволившие выявить в дозовой зависимости зону общей стимуляции -гормезиса (3-20 МПа), переходную (20-26 МПа) и стрессовую (29-35 МПа) зоны, положение которых видоспецифично.

3. Экспериментально обнаружены ранние и поздние реакции растений гречихи на ИД и их взаимосвязь: торможение роста за счет метаболического

Давление, МПа Давление, МПа

ингибирования деления клеток и последующее усиление роста, развития и продукционного процесса. ИД 11-17 МПа задерживают рост в течение 2-5 суток, а 23 и 29 МПа вызывают гибель части семян за счет нарушений трофических процессов зародыша, выявленных по изменению активности ферментов и поглощения веществ зародышем. Скорость восстановления и величина стимуляции роста растений прямо пропорциональны степени угнетения роста в начале онтогенеза, что указывает на различные механизмы стимуляции продукционного процесса при действии низких и высоких доз ИД.

4. Установлены основные закономерности морфофизиологических и ре-гуляторных изменений, ведущая роль в которых принадлежит апикальным меристемам. Продемонстрировано отсутствие аберраций хромосом в меристемах при используемых дозах ИД. Показано усиление делений в корневых апикальных меристемах и формирования латеральных органов в побеговых апикальных меристемах при стимулирующих дозах воздействия, приводящие к увеличению их аттрагирующей и ростовой активности. '

5. Экспериментально показаны принципиальные различия в соотношении фитогормонов при гормезисе и стрессе, заключающиеся в увеличении доли стимуляторов в первом случае и ингибиторов - во втором. Различия указывают на то, что основная регуляторная роль в реакции на ИД принадлежит фитогор-монам.

6. На основе детального анализа экспериментальных данных показано, что при гормезисе не изменяется нормальная динамика интегральных процессов - роста и распределения ассимилятов, но увеличивается их скорость. При стрессе рост замедляется, но усиливается перераспределение ассимилятов в плоды. Путем сопоставления процессов у родительского и первого семенного поколений, а также отдельных видов растений разных экологических стратегий доказано, что состояния гормезиса и стресса являются устойчивыми.

7. В полевых и производственных опытах обнаружены два максимума увеличения продуктивности растений гречихи, ячменя, томатов, огурца, соответствующих ИД 3-20 и 23-35 МПа. Продуктивность растений в области первого максимума возрастает на 15-25%, второго максимума - в 2-3 раза преимущественно за счет увеличения количества плодов. Результаты работы внедрены в совхозе «Тепличный» г. Пензы, ФГУП «Пензенское», Всероссийском научно-исследовательском институте агролесомелиорации РАСХН (2008-10 гг).

Список публикаций по теме диссертации

Автором опубликованы 77 работ, из них:

Монографии

1. Нефедьева, Е.Э. Давление как фактор регуляции у растений: монография / Е.Э.

Нефедьева, В.И. Лысак; ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - 187 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов

докторских диссертаций

1. Исследование возможностей применения предпосевной обработки семян огурца импульсным давлением для повышения урожайности растений / В.И. Лысак, Е.Э. Нефедьева, М.Н. Белицкая, В.В. Карпунин // Аграрный вестник Урала. - 2009. -№ 4. - С. 70-74.

2. Нефедьева, Е.Э. Динамика митотического индекса корневых меристем проростков гречихи, развивающихся из семян, подвергнутых импульсному давлению / Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин // Цитология. - 2000. - №4. - С. 412-419.

3. Нефедьева, Е.Э. Изменение гормонального баланса в прорастающих семенах после обработки импульсным давлением / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей, В.Н. Хрянин // Физиология растений. - 2005. - №1. - С. 146-150 (1-5).

4. Нефедьева, Е.Э. Определение содержания гиббереллина A3 в растениях методом высокоэффективной жидкостной хроматографии / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей // Прикладная биохимия и микробиология. - 2009. - Т. 45, № 4. - С. 502-507.

5. Нефедьева, Е.Э. Определение содержания гиббереллина A3 в растениях методом высокоэффективной жидкостной хроматографии / Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин, A.C. Гудков // Сельскохозяйственная биология. - 1998. - № 5. - С. 77-79.

6. Нефедьева, Е.Э. Особенности стрессовой реакции растений гречихи на ударно-волновое воздействие / Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин // Доклады Академии наук. -1999,-№2.-С. 286-288.

7. Нефедьева, Е.Э. Последействие импульсного давления на содержание фитогор-монов и некоторые морфофизиологические особенности растений гречихи / Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин // Физиология растений. - 1999. - №2. - С. 215-222.

8. Пролин как фактор сопряженной устойчивости растений гречихи (Fagopyrum Esculentum Moenh) к действию импульсного давления, засоления и дефицита света / A.B. Шиленков, Н.Г. Мазей, Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин // Изв. вузов. Поволжский регион. Серия "Естественные науки". - 2006. - №5. - С. 267-276.

9. Содержание пролина в прорастающих семенах гречихи и их качество при действии импульсного давления и пониженных температур / A.B. Шиленков, Н.Г. Мазей, Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин // Сельскохозяйственная биология. Серия "Биология растений". - 2008. - № 5 (сентябрь-октябрь). - С. 70-77.

10. Содержание фитогормонов, рост и развитие растений гречихи под действием импульсного давления / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей, A.A. Мирошниченко, В.Н. Хрянин//Сельскохозяйственная биология. - 2003. - №1. - С. 54-61. Патенты

1. Пат. 2083073 Российская Федерация, МПК А 01 С 1/00, А 01 G 7/04. Способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур / Э. С. Атрощенко,

В. Н. Хрянин, Е. Э. Атрощенко, А. Д. Теплов, А. Е. Розен, А. Н. Ионова; заявитель и патентообл. Э. С. Атрощенко. - 1997.

2. Пат. 2180474 Российская Федерация, МПК А 01 С 1/00, А 01 Н 1/06. Способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур для синхронизации клеточных делений в корневой меристеме / Е. Э. Нефедьева, В. Н. Хрянин, Н. Г. Грозенко, М. А. Розен; заявитель и патентообл. Городской центр техн. творчества. - 2002.

3. Пат. 2377753 Российская Федерация, МПК А 01 С 1/04. Способ предпосевной обработки семян гречихи / В. И. Лысак, С. В. Кузьмин, Е. Э. Нефедьева; заявитель и патентообл. ВолгГТУ. - 2010.

4. П. м. 85291 РФ, МПК А 01 С 1/00, А 01 в 7/04. Устройство для предпосевной обработки семян / Е. Э. Нефедьева, А. Б. Голованчиков, В. И. Лысак, В. А. Обири-на, П. Н. Федосов; ВолгГТУ. - 2009.

5. П. м. 88244 РФ, МПК А 01 С 1/00, А 01 в 7/04. Устройство для предпосевной обработки семян / Е. Э. Нефедьева, А. Б. Голованчиков, В. И. Лысак, В. В. Фоми-ченко, Е. Н. Дрямов, О.В. Юркъян; ВолгГТУ. - 2009.

6. П. м. 91504 РФ, МПК А 01 С 1/00, А 01 в 7/04. Устройство для предпосевной обработки семян / А. Б. Голованчиков, Е. Э. Нефедьева, В. И. Лысак, В. В. Фоми-ченко, А.С. Мурадян; ВолгГТУ. - 2010.

7. П. м. 98858 РФ, МПК А 01 С 1/00. Устройство для предпосевной обработки семян / А. Б. Голованчиков, Е. Э. Нефедьева, В. И. Лысак, В. В. Фомиченко, А.С. Мурадян, Дрямов Е.Н.; ВолгГТУ. - 2010.

Прочие статьи

1. Изменение продуктивности растений под действием импульсного давления / Е.Э. Атрощенко, Э.С. Атрощенко, А.Д. Теплов, С.И. Лопанов, А.Н. Ионова // Гавриш: научно-инф. журнал для специалистов защищенного грунта. -1997. - №2. - С.28-29.

2. Мирошниченко, А.А. Действие импульсного давления на продуктивность растений гречихи / А.А. Мирошниченко, Е.Э. Нефедьева // Вестник молодых ученых ПГПУ им. В.Г.Белинского / ПГПУ. - Пенза, 2002. - 4.1. - С. 103-106.

3. Нефедьева, Е.Э. Действие импульсного давления на ацидофицирующую активность, рост и продуктивность растений гречихи / Е.Э. Нефедьева // Вестник моло- , дых ученых ПГПУ им. В.Г.Белинского: [сб. науч. ст. студ., аспир. и молодых сотрудников ун-та] / ПГПУ. - Пенза, 2003. - №2. - С. 32-34,

4. Нефедьева, Е.Э. Действие импульсного давления на рост, развитие и продуктивность растений гречихи / Е.Э. Нефедьева // Изв. вузов. Поволжский регион. Естественные науки. - 2003. - №6. - С. 193-201.

5. Нефедьева, Е.Э. Последействие импульсного давления на содержание фитогор-монов в прорастающих семенах, рост и продуктивность растений гречихи / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей, В.Н. Хрянин // Вестник Башкирского университета. Спецвыпуск по матер, годичного собрания ВОФР, Уфа, 19-22 июня 2001 г. / БГУ. -

2001,-№2.-С. 147-149.

6. Нефедьева, Е.Э. Effect of Impulse Pressure on the Crop Productivity and Germinating Power of Cucumber (Cucumis sativus) Plants / Е.Э. Нефедьева // Greenwich Journal of Science and Technology. - 2003. - Vol.4, №1. - C. 25-30,- Англ.

7. Нефедьева, Е.Э. The Effect of Impulse Pressure on the Crop Productivity and Physiological Characteristics of Some Tomato (Lycopersicon esculentum) / Е.Э. Нефедьева // Greenwich Journal of Sciense and Technology. - 2002. - №3. - C. 51-59.- Англ.

8. Нефедьева, Е.Э. The Influence of Impulse Pressure on the Phytohormone Content, Growth and Crop Productivity of Buckwheat / Е.Э. Нефедьева // Greenwich Journal of Science and Technology. - 2003. - №3. - C. 123-135,- Англ.

9. Нефедьева, Е.Э. Influense of Impulse Pressure on Vascular Tissues and Productivity of Plants / Е.Э. Нефедьева, da Silva J. A. Teixeira // Floriculture, Ornamental and Plant Biotechnology: Advantes and Topical Issues.- [Kagawa, 2006].- P.44-51.- Англ.

10. Хрянин, B.H. Peculiarities of Stress Reaction of Buckwheat Seedlings after Percussive Wave Treatment / B.H. Хрянин, Е.Э. Атрощенко // Biologija. Vilnius Academia. -1998. -№ 3. - P. 40-41.- Англ.

11. Шиленков, A.B. Влияние импульсного давления на продуктивность растений гречихи, выращенных в условиях различной освещенности / А.В. Шиленков, Н.Г. Мазей, Е.Э. Нефедьева // Известия ПГПУ: [сб. науч. ст.] / под ред. М.Т. Генпша/ ПГПУ. - Пенза, 2005. - 4.1. - С. 44-46.

12. Нефедьева, Е.Э. Действие импульсного давления на содержание фитогормонов, процессы роста и развития гречихи / Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин, Н.Г. Мазей // Вестник Нижегород. ун-та им. Н.И.Лобачевского. Серия "Биология". - 2000. - С. 104-106.

Тезисы докладов на международных конференциях

1. Влияние предпосевного ударно-волнового воздействия на устойчивость растений гречихи / Л.В. Шиленков, Н.Г. Мазей, Е.Э. Нефедьева, В.Н. Хрянин // V Съезд Общества физиологов растений России и Международная конференция «Физиология растений - основа фитобиотехнологии»: тез. докл., Пенза, 15-21 сент. 2003 г. / Ин-т физиологии растений и др. - Пенза, 2003. - С. 360-361.

2. Нефедьева, Е.Э. Amylase activity and gibberellin content in germinating seeds of buckwheat under the influence of stressor / Е.Э. Нефедьева, B.H. Хрянин, Н.Г. Мазей // Plant under environmental stress: abstr. [тез. докл.] of Int. Symp., Moscow, Oct. 2328, 2001 / FESPP. - M., 2001. - C. 47,- Англ.

3. Нефедьева, Е.Э. Влияние импульсного давления на активность протеиназ и содержание белков в плодах гречихи / Е.Э. Нефедьева, А.А. Мирошниченко, В.Н. Хрянин // Регуляторы роста и развития растений: тез. докл. V Междунар. конф., Москва, 29 июня-1 июля 1999 г. / МСХА. - М„ 1999. - С. 38.

4. Нефедьева, Е.Э. Влияние импульсного давления на онтогенез и семенную продуктивность растений гречихи сортов Аромат и Саулык / Е.Э. Нефедьева, Н.Г.

Мазей, В.Н. Хрянин // Физиологические и молекулярно-биологические аспекты сохранения биоразнообразия: тез. докл. Междунар. конф., Вологда, 19-23 сентября 2005 г. - Вологда, 2005. - С. 107.

5. Нсфедьева, Е.Э. Гормезис при ударно-волновой обработке семян / Е.Э. Нефедье-ва, Т.В. Веселова, В.й. Лысак // Механизмы действия сверхмалых доз : сб. тез. докл. IV междунар. симпозиума, Москва, 28-29 окт. 2008 г. / РАН, Ин-т биохим. физики им. Н.И. Эмануэля. - М., 2008. - С. 81.

6. Нефедьева, Е.Э. Действие импульсного давления на прорастание семян / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей // Влияние физических, химических и экологических факторов на рост и развитие растений: матер. 4 всерос. науч. конф., Орехово-Зуево, 14 дек. 2007 г. / Моск. гос. обл. пед. ун-т. - М., 2007. - С. 33-35.

7. Нефедьева, Е.Э. Действие импульсного давления на прорастание семян ячменя / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей // Международный форум по проблемам науки, техники и образования, Москва, 4-7 дек. 2007 г.: тр. / Академия наук о Земле. - М., 2007.-Т. 2.-С. 18-19.

8. Нефедьева, Е.Э. Действие импульсного давления на содержание абсцизовой кислоты в проростках гречихи / Е.Э. Нефедьева, Н.Г. Мазей // Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях: тез. докл. VI Междунар. конф. / МСХА. -М.,2001.-С. 54.

9. Нефедьева, Е.Э. Исследование возможностей применения предпосевной обработки семян огурца импульсным давлением с целью повышения урожайности растений / Е.Э. Нефедьева // Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки. 4.21-23, Сельское хозяйство: тр. 2 Междунар. форума, 20-23 нояб. 2006 / Самарский гос. ун-т [и др.]. - Самара, 2006. - С. 35-39.

10. Нефедьева, Е.Э. Особенности стрессовой реакции проростков после обработки импульсным давлением / Е.Э. Нефедьева, А.А. Мирошниченко // Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях: тез. докл. VI Междунар. конф. / МСХА. -М„ 2001.-С. 54-55.

11. Нефедьева, Е.Э. Устройство для предпосевной обработки семян / Е.Э. Нефедьева, А.Б. Голованчиков, В.В. Фомиченко // Биотехнол. системы и инновац. технологии пр-ва продуктов питания как один из инструментов реализации «Гос. программы...»: матер, междунар. науч.-практ. конф. / ФГОУ ВПО «Донской гос. аграрный ун-т» [и др.]. - пос. Персиановский, 2009. - С. 159-160.

12. Физиологические процессы растений гречихи после действия импульсного давления на семена / Е.Э. Нефедьева, В.И. Лысак, М.Н. Белицкая, В.В. Карпунин // Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий: тез. докл. Междунар. научно-практич. конф., Волгоград, 26-28 января 2010 г. - Т. 2 / ИПК «Нива». - Волгоград, 2010. - С. 14-17.

Подписано в печать .2011 г. Заказ № . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400131, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Нефедьева, Елена Эдуардовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I ОБЗОР НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ

РАСТЕНИЙ НА ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

1.1 Действие факторов окружающей среды на растения.

1.2 Основные представления о стрессе у животных и растений.

1.3 Проявление специфических и неспецифических реакций при стрессе у растений

1.4 Стадии стресса у животных и растений.

1.5 Дозовые зависимости стрессовой реакции растений.

1.6 Уровни саморегуляции у растений и их участие в стрессовой реакции.

1.7 Обобщенные представления о рецепции и трансдукции сигнала и мембранной регуляции в стрессированной клетке.

1.8 Изменение активности генов и ферментов в условиях стресса.

1.9 Особенности синтеза белка в растительной клетке при стрессе.

1.10 Цитологические изменения в растительной клетке при стрессе.

1.11 Участие дыхания, фотосинтеза и донорно-акцепторных отношений в развитии стрессовой реакции.

1.12 Участие фитогормонов в стрессовой реакции растений.

1.13 Изменение интегральных показателей растений при действии факторов различной интенсивности.

1.14 Особенности реакции целостного растительного организма на факторы окружающей среды.

Глава И. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава III. ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ

СЕМЯН И СТИМУЛЯЦИИ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ.

3.1 Роль давления в жизни растений.

3.2 Механизмы возникновения баростресса у растений.

3.3 Использование энергии взрыва для обработки семян.

3.4 Использование особенностей ударной волны, распространяющейся в воде, в технологии обработки семян ИД.

3.5 Расчет параметров ударной волны, воздействующей на семена.

3.6 Схемы и устройства для ударно-волновой обработки семян.

3.7 Общая характеристика химических и физико-химических процессов, вызванных прохождением ударной волны.

Глава IV. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ИД НА ПРОХОЖДЕНИЕ РАСТЕНИЯМИ ГРЕЧИХИ РАННИХ ЭТАПОВ ОНТОГЕНЕЗА.

4.1 Действие ударно-волновой обработки на всхожесть семян некоторых видов растений.

4.2 Динамика качества семян гречихи под действием ИД.

4.3 Особенности поглощения воды при прорастании семян гречихи после обработки ИД.

4.4 Закономерности перераспределения пластических веществ при прорастании семян гречихи после обработки ИД.

4.5 Изменение активности гидролитических ферментов при прорастании семян гречихи после обработки ИД.

4.6 Возможный механизм действия ИД на структурные особенности семян, основанный на анализе поглощения воды и изменения активности ферментов.

4.7 Влияние ИД на активность каталазы и интенсивность дыхания семян гречихи при прорастании.

4.8 Действие ИД и пониженных температур на содержание пролина в прорастающих семенах гречихи.

4.9 Изменение гормонального баланса прорастающих семян и проростков гречихи под влиянием ИД.

4.10 Особенности функционирования корневых меристем проростков гречихи после обработки ИД.

4.11 Последействие обработки семян ИД на рост и формообразовательные процессы проростков гречихи.

4.12 Влияние ИД на рост и накопление массы проростками гречихи.

Глава V. ВЛИЯНИЕ ИД НА РОСТ, РАЗВИТИЕ И ПРОДУКТИВНОСЬ

РАСТЕНИЙ ГРЕЧИХИ.

5.1 Последействие обработки семян ИД на рост растений гречихи.

5.2 Формирование боковых побегов у растений гречихи, обработанных ИД.

5.3 Влияние ИД на формирование листового аппарата растений гречихи.

5.4 Особенности формирования корневой системы растений гречихи под влиянием

5.5 Участие фитогормонов в развитии реакции растений на действие ИД в фазы цветения и плодоношения.

5.6 Донорно-акцепторные отношения и продуктивность растений после обработки семян ИД.

5.7 Влияние ИД на формирование соцветий у растений гречихи.

5.8 Влияние ИД на формирование урожая у растений гречихи.

5.9 Стратегии адаптации к стрессовым дозам факторов среды у растений.

5.10 Влияние ИД на наследование продуктивности растений гречихи первого семенного поколения и варьирование этого признака.

5.11 Изменение всхожести семян и продуктивности растений в процессе хранения семян после обработки ИД.

5.12 Продуктивность растений как результат сопряженной устойчивости к действию ИД и другим факторам среды.

Глава VI. ВЛИЯНИЕ ИД НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И

ПРОДУКТИВНОСЬ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ, ТОМАТОВ И ОГУРЦА.

6.1 Влияние ИД на прорастание семян и особенности проростков и ювенильных растений ячменя.

6.2 Влияние ИД на формирование листового аппарата ячменя.

6.3 Влияние ИД на продуктивность ячменя.

6.4 Возможности использования предпосевной обработки семян огурца ИД для выращивания растений в условиях защищенного грунта.

6.5 Влияние ИД на всхожесть семян и физиологические особенности проростков и ювенильных растений огурца.

6.6 Применение предпосевной обработки семян огурца защищенного грунта ИД для повышения продуктивности растений.

6.7 Действие ИД на содержание фитогормонов в листьях растений томатов.

6.8 Влияние предпосевной обработки ИД на рост, развитие и продуктивность томатов в условиях защищенного грунта.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена"

Актуальность работы

Важнейшей задачей физиологии растений как фундаментальной, науки является создание теоретической основы растениеводства. Новые прогрессивные направления биотехнологии и биоинженерии растений призваны обеспечивать высокую продуктивность и устойчивость растений.

Задача повышения продуктивности растений решается путем выведения новых сортов и гибридов, получения генетически модифицированных организмов, совершенствования агротехнологий, разработки способов защиты растений от вредителей и болезней и методов оптимизации условий их выращивания, а также применения различных стимуляторов роста растений. В частности, последние методы заключаются в использовании химических веществ, биологически активных веществ или физических стимуляторов. Ультразвук [369], лазерный свет [124; 535], электрические и магнитные поля [63; 138], ионизирующее излучение [63; 153; 279], ультрафиолетовое [1; 141; 300] и инфракрасное [294; 351] излучения, низкие температуры [115; 362], ионизированная и магнитоактивированная вода [32; 51] являются эффективными стимуляторами метаболизма, роста и развития растений [32; 350].

Известны зависимости биологического эффекта от дозы воздействия, однако существует проблема разнонаправленного действия больших и малых доз физических факторов, вызывающих соответственно неадаптивные (повреждение) или адаптивные реакции. В последнем случае развивается запрограммированная реакция, дающая возможность приспособиться к внешним условиям [334]. Проблеме стимулирующего действия малых доз посвящены многочисленные исследования [31; 51; 107; 124; 149; 153; 221; 279; 369; 439]. Кроме того, в настоящее время во многих работах исследуются молекулярные и клеточные механизмы реакции растений на внешнее воздействие [391; 402; 406; 418; 422; 436; 444; 453; 464; 504; 507; 512; 517; 532; 539; 547; 548;

557; 559; 598; 71; 76; 77; 111; 260; 158; 315], но их результаты не дают возможность объяснить сложность реакции на организменном уровне. В связи с этим актуален целостный подход к анализу реакции растения на внешнее воздействие.

Вкачестве фактора, действующего на растения, было выбрано импульсное давление (ИД). Давление влияет на различные процессы у растений. Быстрые изменения осмотического давления могут вызывать некоторые неспецифические стрессовые симптомы в растениях, в то время как нормальное осмотическое давление - важный фактор в клеточном развитии, росте и поглощении воды [426]. Флоэмный транспорт веществ [427] и транспорт газов в стеблях погруженных водных растений [372] управляются градиентами давления, а натяжение водных нитей вызывает биоэлектрическую реакцию [236]. Почвенное сжатие также оказывает влияние на растения [329]. Давление и механические воздействия также являются факторами регуляции роста и развития растений [421; 488]. Особенности ИД заключаются в том, оно представляет собой объемное сжатие в течение 15-25 мксек, поэтому не приводит к грубым механическим нарушениям.

Важно отметить, что обработка семян, находящихся в состоянии покоя, импульсным давлением вызывает последующие ростовые изменения. Принято считать, что физические воздействия в малых дозах оставляют в семенах скрытые повреждения, которые реализуются во время перехода клеток в жизнедеятельное состояние [153]. Следовательно, при рассмотрении физиологических эффектов следует учитывать, что они являются следствием процессов, произошедших и индуцированных в семенах в момент обработки ид.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научных основ эпигенетического управления морфогенезом растений на основании выявленной зависимости биохимических, морфофизиологических, цито-генетических особенностей и продуктивности растений от параметров ИД и создание на этой базе научно обоснованной технологии повышения продуктивности растений.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи.

Проанализированы способы физической стимуляции и особенности физиологических реакций растений на разных уровнях организации живой материи.

2. Разработан метод обработки семян ИД и произведены- расчеты параметров ударной волны (УВ) на поверхности обрабатываемых семян.

3. Изучено детально влияние режимов обработки на биологические особенности растений различных видов, используя анатомические, физиолого-биохимические и цитогенетические методы.

4. Установлены закономерности изменения физиологических особенностей растений в зависимости от интенсивности воздействия УВ.

5. Разработан комплекс научно обоснованных технологических процессов обработки семян ИД с целью повышения продуктивности и устойчивости растений.

Защищаемые положения

2. Существование на уровне целого организма зоны гормезиса с нормальной динамикой физиологических процессов и небольшой стимуляцией; переходной зоны повышенной вариабельности; зоны стресса с особой динамикой физиологических процессов.

3. Реакция на уровне организма является интегральной; события на уровне клетки инициируют структурные и физиологические перестройки в апикальных меристемах, которые приводят к гормональным и донорно-акцепторным изменениям, способствующим торможению роста и ускорению развития.

4. Увеличение продуктивности и устойчивости растений дает возможность управлять продукционным процессом в различных условиях выращивания.

Научная новизна. Новым научным положением, направленным на раскрытие механизма реакции растения на внешнее воздействие на уровне организма, является выявление контрастирующих дозовых стратегий, развивающихся под влиянием доз ИД, позволяющих получить непрерывную зависимость физиологических функций от его величины.

Экспериментально доказано, что действие на семена ИД 5-20 МПа в течение чрезвычайно малого времени (12-25 мксек) не вызывает их острой летальности, а способствует полимодальному изменению динамики широкого спектра физиологических процессов растений. Впервые показано существование в дозовой зависимости на уровне целого растения трех контрастирующих зон: общей стимуляции - гормезиса, переходного состояния и стресса. В первой зоне при' действии ИД 5-20 МПа увеличение устойчивости и продуктивности растений на 15-25% является результатом преимущественного накопления гормонов-активаторов и активизации физиологических процессов без изменения динамики. В стрессовом состоянии под действием ИД свыше 26 МПа обнаружено нарушение нормальной динамики физиологических процессов растений, приводящее к торможению роста, связанному с преобладанием гормонов-ингибиторов, и изменению донорно-акцепторных отношений с преимущественным оттоком ассимилятов в плоды, приводящему к 2-3-кратному увеличению продуктивности. Доказано, что увеличение вариабельности признаков на целостном уровне при ИД 20-26 МПа соответствует переходному состоянию от гормезиса к стрессу.

Выявлено, что переход в состояние стресса на организменном уровне заключается в интеграции сигналов на уровне апикальных меристем и усилении их формообразовательных и акцепторных свойств. Анализ взаимосвязи биохимических, биофизических, анатомо-морфологических и физиологических особенностей растений позволил создать гипотетическую модель запуска реакции на организменном уровне в зависимости от дозы ИД, что открывает новые подходы к исследованию продукционного процесса и выживаемости растений в неблагоприятных условиях.

Практическая значимость. Проведенные расчеты и исследования физиологических процессов растений позволили создать технологию обработки семян ИД для повышения продуктивности [Патент 2083073 РФ; П. м. 85291 РФ] и устойчивости растений [Патент 2377753 РФ], а также для синхронизации клеточных делений [Патент 1Ш 2180474]. В совхозе «Тепличный» г. Пензы проведены производственные опыты по исследованию морфофизио-логических особенностей и урожайности томатов и огурца защищенного грунта после обработки семян ИД, оформлен Протокол (1995 г). Использование метода в производстве позволило в 1995 г. получить фактический годовой экономический эффект 364 млн 440 тыс руб. Имеется Акт о внедрении (форма Р-10). На растениеводческой базе ФГУП «Пензенское» по искусственному осеменению и реализации сельскохозяйственных животных в 2003 г проведены полевые исследования, на основании которых выданы Протоколы экспертизы морфофизиологических особенностей и урожайности гречихи сортов Аромат и Саулык, пшеницы сортов Безенчукская-139 и Пирамида после обработки семян ИД, в которых подтверждено увеличение продуктивности растений на 9-85%. В 2008 г проведены полевые опыты в ВНИИ агролесомелиорации (г. Волгоград), по результатам которых оформлен Протокол экспертизы урожайности растений ячменя сорта Донецкий 14 после обработки семян ИД; урожайность растений увеличивалась на 38-58%.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 5 межвузовских, 7 всероссийских совещаниях и конференциях; 18 международных конференциях и симпозиумах, в том числе на: I, II и IV Межвузовской научной конференции «Влияние физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных растений», 1993, 1996, 2007 (Орехово-Зуево); Межвузовской НПК «Биология и экология в системе современного педагогического образования», 1994 (Санкт-Петербург); III, IV, V, VI Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений», 1995, 1997, 1999, 2001 (Москва); I Всероссийской конференций фотобиологов, 1996 (Пущино); Международном симпозиуме «Physical-Chemical Basis of Plant Physiology», 1996 л s (Пенза-Пущино); Международном симпозиуме «International Symposium on

Stress and Inorganic Nitrogen Assimilation & the 2nd Fohs Biostress Symposium», 1996 (Москва); III, IV ежегодном симпозиуме «Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология», 1997, 1999 (Москва); 7-м координационном совещании преподавателей физиологии растений вузов России «Проблемы и достижения современной' физиологии растений и их использование в вузовском и школьном преподавании», 1997 (Пермь); Всероссийской молодежной конференции «Растение и почва: проблемы агрофизики, агрохимии и фитофизиологии», 1999 (С.-Петербург); III Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких сельскохозяйственных растений», 2000 (Пенза); Годичном собрании ВОФР; 2001 (Уфа); Международной научной конференции «Биотехнология на рубеже двух тысячелетий», 2001 (Саранск); Международном симпозиуме «Plant under environmental stress», 2001 (Москва); научной конференции «Физиология растений и экология на рубеже веков», 2003 (Ярославль); V съезде ОФР России и Международной конференции «Физиология растений — основа биотехнологии», 2003 (Пенза); Международной научной конференции «Проблемы физиологии растений Севера», 2004 (Петрозаводск); Международной конференции «Физиологические и молекулярно-биологические аспекты сохранения биоразнообразия», 2005 (Вологда); 7-м Международном симпозиуме «Shoclc-assisted Synthesis and Modification of Materials», 2006 (Москва); 2-м и 3-м Международных форумах «Актуальные проблемы современной науки», 2006, 2007 (Самара); Годичном совещании ОФР России и конференции «Физиология растений — фундаментальная основа современной агробиотехнологии», 2006 (Ростов-на-Дону); VI съезде ОФР России и Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до биосистем», 2007 (Сыктывкар); Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования, 2007 (Москва); IV Международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз», 2008 (Москва), а также на научных семинарах в ПГПУ и ВолгГТУ.

Структура работы. Диссертация написана на 414 страницах, включает введение, обзор литературы (глава I), описание объектов и методов исследования (глава II), изложение полученных результатов (глава III, IV, V, VI), выводы, список литературы и приложение. Текст иллюстрирован 39 таблицами и 74 рисунками. Список литературы включает 369 отечественных и 240 зарубежных работ. В приложении содержатся результаты исследования всхожести и продуктивности растений в течение 17 лет, копии акта внедрения и протоколов испытаний.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Нефедьева, Елена Эдуардовна

5. Выводы и рекомендации

Результаты проведенных* исследований? показали значительное, повышение продуктивности ячменя сорта Донецкий? 14 и яровой пшеницы Саратовская 42. Рекомендуется высев промышленной партии семян, обработанных УД.

Исполнители: Профессор, д-р биол. наук, зав. сектором защиты растений от вредителей и болезней ВНИАЛМИ

Канд. биол. наук, инженер сектора защиты растений от вредителей и болезней ВНИАЛМИ

Студент гр. ЭКО-646 ВолгГТУ

М.Н. Белицкая

Канд. биол. наук, доцент каф. ПЭБЖ ВолгГТУ

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации РАСХН Адрес: 400062, г. Волгоград, Университетский проспект, 97 Тел. (8442) 46-25-67 Факс (8442) 46-25-10 E-mail: vnialmi@avtlg.ru www.avtlg.ru/~vnialmi

И.Р. Грибуст gf^ А. С. Мурадян

Е.Э. Нефедьева

ФГОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет

Адрес: 400131, г. Волгоград, просп. Ленина, 28 Тел. / факс (8442) 23-00-76 (8442)23-41-21 E-mail: rector@vstu.ru www.vstu.ru

Информация о работе

Нефедьева, Елена Эдуардовна
доктора биологических наук
Москва, 2010
ВАК 03.01.05

Диссертация

Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы