Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОРОСТКАМИ ПШЕНИЦЫ НИТРАТА СРЕДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ»

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОРОСТКАМИ ПШЕНИЦЫ НИТРАТА СРЕДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ»"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

^ На правах рукописи

ХАРИТОНАШВИЛИ Елена Владимировна

УДК 58Ы33.1

«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОРОСТКАМИ ПШЕНИЦЫ НИТРАТА СРЕДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ» -'■••"^г --^ч;.

, ^ 03.00.12— физиология растений ;

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

• г ■.....1 . -

МОСКВА 1989

-с Работа выпблнена на кафедре физиологии растений биологического факультета Московского государственного университета им. М: В. Ломоносова. I ■ ; г хЛл;

Научный руководитель — кандидат \ биологических наук, ведущий .научный сотрудник Алехина Н. Д. . ■ . / ■■■>.■■.

Официальные оппоненты: доктор.биологических наук, профессор А. Е.- Петров-Спиридонов; кандидат .биологических наук, доцент E. H. Маркарова. ' ,

Ведущее учреждение — Всесоюзный институт удобрений и агропочаоведения им. Д» Н. Прянишникова, i у З-С?

. Защита состоится «v. ¿fr^^^f . 1989 г; в"«*'/ /» час. на заседании специализированного совета Д 120.35.07'при Mo-, сковской ордена Ленина н ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им! К. А. Тимирязева.*

Адрес: 127550, Москва, И-550, Тимирязевская ул., 49, учет ный совет ТСХА. - 1 ' '

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

" Автореферат разослан « ^ f^/,9-^. . ■ »■"■ . 1989 г.

Ученый секретарь

специализированного совета — кандидат биологических; наук

г-

. ВВЕДЕНИЕ -

Актуальность течы. Нитрат - основная форма азота, используемая растениями.как в природных экосистемах, так и на большей части возделываемых площадей. Интенсивность и эффективность использования окисленного азота среды зависят от внешних факторов (доступности JfO~, температуры, влажности, рН и др.) и от особенностей обмена растений, которые различны у разных видов ив ходе онтогенеза. Физиологические и биохимические процессы утилизации нитрата в связи с их биологическим и сельскохозяйственны!/! значением исследуются В ряде лабораторий За рубежом (Jackson,1978; Beevera, Hageman , I960; Clarkson. Hanson , 19Ь0;Oaks ,Gadal, , I960;Srivastava , I9b0; Parkaah t 1985) и в напей стране (Павлов,Грабовская,197Ь; Петров-Спиридонов, Моллов, 19Ь2; Крастина и др., 1983; Кондратьев, Костюкович, Третьяков, 1964; Измайлов, I9B6; Алёхина, Клюйкова, 1966; Кретович, I9b7).

Усилия физиологов вначале бь-ли направлены на изучение поступления JfOg , распределения по органам и функциональной роли корневых систем в утилизации нитрата (Сабинин, 1949; Курсанов, 1957; Потапов, Суманова, 1966; Lycklama , 1963; Darwinkel ,1975); биохимиков - на исследование структуры нитратредуктазы (HP) и механизма восстановления (Кретович, 1972; Beevera, Hap.eman , IS69). . В последние годы физиологи больше внимания стали уделять системам транспорта аниона из среды в корень (Thibaud .Orignon , I9b0; Dejagere et al.f I9S4;Mengel , 1966; Dean-Drurraiond ,Clarkson • 1986) и процессам транслокации (Измайлов, 1961; Алёхина, Клюйкова, I9S6;Fate ,1960), а биохимики - механизмам регуляции активности HP (Beevera ^ageman . , I960). Но. несмотря на большие успехи в расшифровке систем ассимиляции JfQ~ и в изучении КР, ми все eqe далеки от понимания того,кап регулируется поступление нитрата и его усвоение в растении. 3 1 У

Ца:!тр. научная Иго*:, сгл. Juv J^sa шьш. а:ад. «а. И. к. Тншр.шза К.........................

Развитие растений часто происходит при пониженной температуре почвы. Около 60$ посевных площадей СССР расположено в холодном климате (Мищустин, 19&3). В этих условиях поглощение нитрата заметно снижается Штраусберг, 1965; Коровин, 1972; Алёхина, Клюйнова,1972; '«ИИата ^ешаз ,1962). Физиологический механизм такой ответной реакции до конца неясен. Помимо того, что зависимость усвоения )Ю~ от температуры важно изучать саму по себе, температура может быть инструментом, с помощью которого осуществимо исследование взаимосвязи различных этапов нитратного обмена. Это позволит вычленить лимитирующее звено, которое определяет интенсивность усвоения нитрата.

Целью данной работы било выяснить, какие процессы нитратного обмена являются первопричиной изменений в использовании нитрата проростками озимой пшеницы при пониженной температуре в зоне корней.

В задачи исследования входило:

1. Исследовать поступление нитрата из среды в 12-дневные растения пшеницы, росшие при двух температурных режимах, и выяснить, как регулируется система транспорта х©~.

2. Установить, каков нитратный статус проростков пшеницы в

тб

зависимости от температурных условий; с помощью выявить кар-

тину распределения окисленного азота по органам и определить возможности растений пшеницы восстанавливать поглощаемый азот.

3. Исследовать компартментацио нитрата в корнях, выяснить, в какой мере температурное воздействие влияет на размеры пулов у0~

и каков характер взаимосвязи между поглощением и эндогенным содержанием аниона.

4. Проанализировать степень участия процесса транслокации в регуляции поступления нитрата в зависимости от температуры.

Научная новизна. Проведено комплексное исследование регуляции поступления нитрата у проростков пшеницы стационарного состояния в

системе: транспорт в корень - накопление и восстановление в тканях - транслокацкя в надземные органы. Показано наличие околочасовых колебаний скорости поглощения и участие в регуляции поступления системы вход/выход.. Впервые установлены колебания в концентрации нитрата в тканях корня, которые происходят в противофазе с изменением скорости поглощения. Установлено, что изменения концентрации аниона в тканях являются элементом системы регуляции поступления. На основании исследования - статуса предложено понятие "подвижного пула" для характеристики быстрообмениваемого нитрата корней, предназначенного для перемещения в надземные органы. Показана определяющая роль процесса транслокации в способности растений использовать азот среды при разных температурных условиях.

Практическая ценность. Установленный в работе факт, что лимитирующим этапом усвоения окисленного азота является транслонация, помогает корректно оценить возможности растений использовать азот среды, что необходимо для разработки схем эффективного использования азотных удобрений. Продемонстрирована идентичность величины

т5

интенсивности транслокации,определяемой с помоцьв. }Г0~ и рассчитанной на основании поступления, восстановления и распределения нитрата. Расчетный способ (более доступный и дезевый,чем изотопный) предложено использовать при определении интенсивности транслокации окисленного азота в интактнон растении. Результаты исследования пулов нитрата в корнях могут быть полезны при отборе форм с высокой способностью утилизировать окисленный азот. •

• ■ -Апробация работы. Основные результаты,диссертации были доложены на научных семинарах кафедры физиологии растений биофана "ГУ,на межфакультетских научно-практических конференциях "МГУ - сельскому хозяйству"(!!осква, 1982,1%5), Конференции молодых учет.-х биофака ?!ГУ (19&7), на Сабишшеких семинарах "Ионный обмен .растений и фиэи-гч ология корня" (Москва, 1'ЛРАН СССР, 1Съ4,19с6,19^7,), на Всссо-

юзной конференции "Устойчивость к неблагоприятным факторам среды.и продуктивность растения" (Иркутск,19Ь4), на сессии Научного совета, посвященной 100-летию со дня рождения Н.И.Еавилова (Алма-Ата,19Ь8), на Всесоюзной школе-семинаре по минеральному питанию растений (Чернигов, 19Ь8).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, I работа сдана в печать.

Структура и обгр" диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (4 части).наложения результатов и их обсуждения (3 части).заключения, выводов,таблиц приложения, списка цитируемой литературы (270 наименований). Основной текст диссертации изложен на 142 страницах и содержит 17 таблиц и Г? рисунков.

ОБЪЕКТ И (ЕТЦШ ИССЯЗДВЛШл

Работа, выполнена на 12-дневньэс проростках озимой пшеницы (Тг1-•исит аез1;1\гига) с."Мироновская ЬОЪ", вьгра^енных на обычном растворе смеси Пряшкникова 0,5 нормы (1,5 мМ '."Н^'ГО^) и модифицированном по азоту (3,0 мЧ ШгОд). Часть растений выращивалась при 25 С, а часть при температуре воздуха 25 С и питательного раствора 12 С (Клвйкова, Алёхина, 19ЬЗ). Температура 12 и 25 С находится в зоне температур активной вегетации проростков псеницы.

В исследовании использованы два методических подхода: 1-ско-рость поглощения ?"0~, нитратный статус и активность нитратредукта-зы (ИР) изучали при варьировании наряду с температурными условиями состава раствора, продолжительности освещения с момента включения света, голодания. О поглощении судили по убили аниона из среды. Концентрации в растворе, содержание нитрата в экстрактах из сухого и сырого растительного материала измеряли г.отенциометрически, используя для регистрации дополнительную систему компенсации сигнала, позволяю^'» определить очень небольшие изменения концентрации

аниона (до 7 мкмолей). Активность КР определяли in vivo (Чернави-

на и др., 1978),

П - поступление аниона, распределение по органам поглощаемого

нитрата и редукция были исследованы на фоне двух температурных ре-15

жимов с помощью !."0~. Соли нитрата аммония и калия в питательных

тс

растворах заменяли на эквимолярнэе количество К .\"03 с обогащением 9ü,6 ат.%. Время экспозиции растений - 5 ц (с 900 до I400). Су. хой размельченный материал использовали для количественного определения азота резных фракций и масс-слектрофотометрического анализа, который был выполнен в лаборатории спектрального анализа Н1ЭД физики ЛГУ (Лаэеева, Петров, 1977).

Статистическую обработку данных проводили, рассчитывая среднее кведратическое отклонение; коэффициент корреляции вычисляли по методу для малочисленных групп (Плохинский, 1960).

РЕЗУЛЬТАШ И ОБСУНдаНИЕ I. Поглощение нитрата проросткр-ми гезенипы в зариси»ости от то'ПРГ-чтур» _в зоне корней. Усвоение нитрата растениями - многоэтапный процесс, который включает поглощение.восстановление и накопление -?Ю~ в корнях,отток аниона в надземные органы,накопление и редукцию в листьях.Как правило,ответная реакция на температурное воздействие охватывает все звенья нитратного обмена (¿:траус6ерг, 1965; Коровки,1972; Кондратьев и др.,19ЬЗ; Клюйкова,Алёхина,IC63; wmi-вг.а t4lenlB t j962;™heodoride3 ,Pearson-, 1961). Однако,чувствительность отдельных этапов неодинакова (Клюйкова,Алехина, I9ü3). Это предполагает, что в усвоении JfO" растениями есть "узкоо место", определяющее чувствительность к температуре процесса в целом. Еыя-вить его на основе анализа литературы невозмотзю, так как проведенные исследования касались главным образом поглощения и активности НР.

?!ы провели комплексное изучение всех этапов нитратного обмена у "12-дневной пзеницн, выращенной при разных температурных режимах.

При пониженной температуре в зоне корней накопление сухого вещества немного слеталось: при 25 С масса проростка (мг) составила 27,Ь±1,0 и £В,9±1,1; при 25/12 С - 25,2±0,9 и 26,5±1,0 соответственно на нитратном и нитратно-аммонийном г*сне. Замедление роста связано со снижением массы листьев, а вес корней при 12 С даже возрастал. Несмотря на увеличение массы поглощаемого органа, поступление нитрата при 12 С снижается почти вдвое (то6л. I).

1'охно предположить, что причиной уменьаения поглощения К0~ при пониженной температуре в зене корней является увеличение либо относительного (СХагкооп ,Татег ,1973), либо абсолютного (Алехина, Клюйкова,19ЬЗ) поступления аммония в проростки злакоз. Однако, скорость поглощении'нитрата из питательной смеси в отсутствие ЯН^ была при 12 С даже ниже, чем в его присутствии (табл. I).

Таблица I

Средняя скорость (V ) поглощения нитрата в зависимости от температуры в зоне корней и состава раствора (мкмоли УО~/г сь-рого вещества корней в ч).

Состав\ раствора хемпература ^^в зоне кор- 25 С 12 С Соотношение 12 С/25 С

Питат. смесь (>И4№03) (куо3) 4,25x0,11 3,81±0,12 2,67-v0.ro 1,93*0,05 0,63 0,51

моносоль КН4УО3 10г"03 Са(х"03)2 3,56*0,06 3,49*0,19 4,№¿0,22 1,95*0,09 1,48*0,02 2,21±0,Г7 0,55 0,42 0,54

Степень влияния сопутствующего катиона на поглощение Х0~ становится очевидной при экспонировании растений на растворах моносолей (табл. I). При 25 С скорость поглощения аниона мало менялась

в зависимости от катиона. При 32 С она уменьшается по сравнению с таковой при 25 С в наибольшей степени на фоне К+ (соотношение ско-

ростей 0,42). Соотношение махду температурным! вариантами скоростей поглощения !.'0~ из солей аммония и.кальция резни. Таким образом, уменьшение поступления аниона при пониженной температуре в зоне корней не обусловлено интенсивным поглощением аммония з этих условиях.

Скорость поглощения Г0~ проростками шпеницъ: непостоянна во времени к носит колебательный характер (рис.1). "Размах" колебаний больше при 25 С, чем при 12 С (табл.2). Следовательно,снижение среднего уровня поступления Г0~ в проростки при 12 С (табл.1) сопровождается уменьшением отклонения от средней скорости поглощения аниона. При этом "период" колебаний остается "околочасовкм".

Таблица 2

Разница между максимальной и минимальной скоростью поглощения нитрата ("размах колебаний") у проростков в зависимости

от температурных условий (мкмоли .YO" на г сырой массы в час)

Температура в осне корней ГУ I 2 опыта 3 4 5 6

25 С 9,97 10,48 4,9Ъ 9,76 7,97 Ь,37

12 С 4,17 5,67 1,61 4,07 1,76 3,67

!'ного внимания изучению ритмичности поглощения ионов (в тем . «числе и JTO") с периодом меньзим чем сутки уделено советской школой .-фаиологов растений (Гунар.Крсстина^етров-Спиридснов, 1957; Крас-ткна,1966,1967; Кондратьев и др.,1363). Было подчеркнуто, что ^чр-- ¿едуютсп не столько слабое и сильное поглощение, сколько поглощение и выделение ионов" (Гунар.Крастина,Петров-Спиридонов,1957). В настоящее время показано, что поглощение нитрата - результат двух 2^102Р£мекн0 идущих процессов: притока Ю~ из среды в клетки корня и оттока У0Э из корня в среду ( Morgan et al .,1973; Jncicson et al., 1978; Dean-DruTOond ; , I9b2, ISb3).

56

54

52

СО

14 10

Время суток, ч Рис Л. Динамика изменения скорости поглощения О

в корнях проростков пшеницы при 25 С ( ) и 12 С (

70

60

40

Е Оч О ¡6

%5

X

Ш о

л

4 о

5 К

50

»

к X 4

Щ

А

о

&

о

V

о X X

V

и о

г

со

14 ю/ \де к

). и эндогенного содержания нитрата (-—) в зоне корней.

' Мы провели количественную оценку входа и выхода используя параллельно два способа оценки поглощения нитрата: по убыли

$0" из среды, измеряемой с'помощью ионселективного электрода, и по 15

накоплению в растении Убыль 1Г0~ из раствора отражала нетто-по-глсщение, количество поглощенного величину притока аниона

из среды в корень. Разница между входом и нетто-поглощениеч соответствует оттоку }г0~ в среду.

Установлено, что приток нитрата в корни растений значительно превышает нетто-поглощение }Г0~ (рис.2). При 25 С наличие в среде ■ №| по сравнению с вариантом, где аммоний отсутствовал, приводит к снижений как входа, так и особенно выхода анкона, то есть происходит изменение обоих составляющих нетто-поглощения, которое само по себе меняется не столь значительно. При 12 С изменений в величинах нетто-поглощения, входа и выхода КГ в зависимости от присутствия аммония в среде практически не наблюдается.

_Рис.2. Изменение двух со, ' —

У/УУУУ/УУ^ ставляющих поглощения нит-

щыо}

рата в зависимости от формы азотного питания и температуры.

2УС \/?//////777Ъ К ыоъ ■ '___

ис

^/У/Л вход

выход

40 го

миг |У-д;Оз нетто-погло-

СОРЕНЬ- 5у щение

При пониженной температуре на нитратно-аммонийном ¿¡оне увеличивается выход аниона (рис.2). Когда нитрат - единственный источник азота, при 12 С уменьшается, глазным образом, вход. Результатом же изменения соотногения вход/выход под действием пониженной температуры является уменьшение нетто-поступлсния ГО" в проростки г.дсници'

независимо ст источника азотного питания.

Колебательный характер поглощения (рис.1) свидетельствует, что соотноаение мечду притоком и оттоком непрерывно меняется и периоды, когда транспорт в корень превышает отток, могут сменяться периодами, когда выход больне, чем вход.

2. Влияние температурных условий выращивания на .нитратный ста- ' туе проростков. и коиппртментеции рнкона в корнях. Уровень окисленного азота у 12-дневных проростков ппеницы был достаточно высоким и отражал нитратный статус, который складывался в зависимости от температурных условий роста (табл.3, ркс.За).

Таблица 3

Влияние температуры на относительное содержание (%) и концентрацию нитрата (мкмоль на г сырого вещества), в проростках пзе-ницы, выращенных в разных условиях азотного питания.

Источник азота Тетера- Орган я>-нитрата Концентрация

при выращивании тура, %- нитрата

ог }?-общий

1,5 м'( 'ГНдГОз

12

3,0 мМ К]Г03

12

Листья 14 61,57^1,57

Корни 17 46,07^.0,93

Листья 8 56,14^0,57

Корни 15 58,29^0,57

Листья Г? 68.57Л, 39

Корни Г? . 48,93^1,00

Листья ю 50,07^1,50

Корни 16 • 62,43^.1,21

У растений выращенных при 12 С в зоне корней, количество окисленного азота в целом проростке заметно уменьшается, но при этом увеличивается как доля К"0~, локализованного в поглощающем органе (рис.За), так и концентрация нитрата в корнях (табл.3). Полученная с помощь» изотопного метода картина распределения вновь поступившего и остав-

но 110 so

МО

го to

МЕГ И'ЫО\

■1 РАС Т.

I

m,f/03 KN03

миг 15А/-А/От 1piст. '

I

КЫ03

IX. -4

Ь

з i

Рис.3. Нитратный статус проростка (а) и распределение поглощаемого нитрата (б) в зависимости от температуры и формы азотного питания ( спи 25/25 С

25/12 С в зонах листья/корни)

сегося невосстановленным нитрата (рис.Зб) отражает тот характер распределения Г0~, который сложился у проростков в зависимости от температурных условий вырезывания (рис.За).

Наряду с изменениями концентрации связанными с воздействием температуры (табл.3), были выявлены околочасовые колебания содержания нитрата в корнях (рис.1). В литературе сведений о наличии таких кратковременных колебаний концентрации ?'0~ нам не встречалось. Измерение концентрации }.'0~ в тканях корня и скорости поступления нитрата у растений на нитратно-аммонийном фоне было проведено нами одновременно. Оказалось, что эти величины меняются в "противогазе" (рис.1). Регрессионный анализ показал, что мезду нетто-поглощением }'0~ и эндогенной концентрацией аниона существует обратная корреляция: строгая у корней растений при 25 С с коэффициентом корреляции г=_0,95 (£» 0,95) и менее четкая при 12 С с г =-0,и> (0,95). ' .

Принцип обратной зависимости предполагает, что увеличение одной величины приводит к уменьшения другой и наоборот. В игл см случае увеличению концентрации нитрата в тканях корня соответствует

уменьшение нетто-поглощения аниона и наоборот (рис.1). Так как поступление К0~ равно разнице между 'двумя векторами "входа" и "выхода", из которых только "вход" имеет то же направление, что и чистое поступление (внутрь корил), то обратная зависимость существует между вектором "вход" и эндогенным содержанием нитрата. Система регуляция "эндогенное содержание - вход" работает при небольших колебаниях концентрации Г0~ (рис Л) и дает нам один из примеров тонкой саморегуляции жизнедеятельности растительного организма.

При 12 С замедление нетто-поглощения нитрата у растений, выращенных на нитратно-аммонкЕнсм фоне, обусловлено увеличением о^лак-са. Поэтому к системе регуляции "эндогенная концентрация - вход" добавляется механизм регуляции через систему "эндогенная концентрация - выход" и коэффициент обратной корреляции невысок.

Изменения в содержании окисленного азота в тканях часто связывают С активностью IIP ( Mlnottl f Jackaon , 1970; Hallnarb: , Huffa-ker , IW6). У исследуемых 12-дневных проростков пшеницы температурные условия выращивания мало сказались на потенциальной способности восстанавливать ;"0~ (в корнях при 12 С на KjfO. активность даО О

же увеличивалась) (табл.4). Оценка реальной редукции нитрата в экс-15

периментах с !,"0~ показала, что d корнях одного растения за 5 ч усваивается при 25 С 3,95 и 4,03 мкг ^¡Г-КО и при 12 С - 4,59 и 3,75 соответственно на нитратно-аммонийном и' только нитратном («сне. Таким образом, накопление нитрата в корнях при 12 С не связано с замедлением их восстановления.

Количество нитрата в тканях отражает суммарный эндогенный фонд нитрата, который в тканях компартментирован в запасном и метаболическом пулах. Описание пулов и методов их определения проведено в основном на листьях (Kills et al mt I9B4), Вопрос о компарт-ментации в корнях изучен меньае. На наш взгляд подход к исследованию проблемы пулов в корнях должен быть иным, чем в листьях, так

Таблица 4

Активность нитратредуктазы (мкг МОо на г скрой массы в ч) у проростков пиеницы в разных условиях М -питания и температуры.

Температура Орган Источник азота в питательном растворе в зоне кор- растения ■-——----—-г--

ней, °с ун4к>з к.-;о3

Листья 54,30±1,63 62,40±0,4Ь

25

Корни 5,57 ±0,25 4,95±0,ЭТ

Листья 60,70±0,Ь7 62,90±0,92

12 Корни 4,59x0,27 В,63±0,70

как значительная часть поглощаемого нитрата в неизменном виде перемещается в надземные органы. Поэтому мы провели оценку пулов в корнях при сохранении функциональной взаимосвязи корни-листья. Эндогенная концентрация аниона была измерена в корнях проростков, которое росли при наличии нитрата (контроль), в течение 5 ч не получали ГГО~> но снабжались или 4Ь ч находились на воде (рис.4). При 25 С через 5 ч без резко снижается количество нитрата в корнях и настолько »е уменьяается содержание !,"0~ после ч голодания. При 12 С падение содержания нитрата через 5 ч не так велико, но после 4Ь ч голодания сно значительно. При этом пропадает разница в уровне у корней при двух температурных режимах, та розница« которая отражает различия в К0~-статусе проростков.

1--Рис.4. Изменение содержа-

25 с. ния нитрата в корнях про-

ростков пшеницы после удаления из среды.

I I- контроль (10Ю ) Г-"'-••.'••'I - 5 ч на аммонии

■12 С

го 20 чо „лгц-ыоъ У//Л - 4Ь ч на воде

*орвнь

Нитрат, оставшийся в корнях после 48 ч экспозиции на воде,-эапасной и медленно обмениваемый фонд аниона и он одинаков у ппе-ницы, росией при 25 и 12 С в зоне корней. Исчезавшая при экспозиции на воде часть нитрата моггет быть отнесена к "метаболическому" пулу, который доступен КР, и пулу, предназначоннсму для перемещения е надземные органы, которые вместе составляют активный пул нитрата корней (рис.6). Максимальное количество нитрата доступного КР, оцененное на основании определения активности фермента, составляет всего 6-8$ от общего содержания 1Г0~ в тканях и одинаков в корнях при двух температурных условиях. Чтобы обозначить больную часть нитрата, предназначенного для перемещения в надземные органы, мы предлагаем ввести понятие "подвижного" пула (рис.6). Очевидно, что накопление аниона в корнях происходит именно в "подвижном" пуле.

В корнях при 25 С,активный пул нитрата быстро обновляется. Он исчерпывается уже через 5 ч после перенесения проростков на аммоний, когда концентрация аниона становится практически такой же, как после двухдневного пребывания на воде (рис.4). При 12 С активный фонд за 5 ч не успевает израсходоваться и поскольку редукция .¥0" вносит небольшой вклад в изменение размеров этого фонда, то замедление его использования связано с "подвижным" пулом Л®^ и определяется изменениями в оттоке аниона в надземные органы.

3. Трпнслокацкя нитрата из корней в листья:,зависимость от температуры .среды.

В последние годы усилился интерес исследователей к процессам транслокации ,\"0~ в связи с действием неблагоприятных факторов (Клюйкова, Алёхина,1983;Ки^У е* а1 . ,1981;ТЬеоаог1(Зев ,Реаг-воп ,1981). В методическом плане изучение транслокации аниона не-', простая задача: использование изотопа трудоемко, малодоступно и дорого; сбор пасоки у проростков технически сложен и, кроме:того, состав и количество выделяемой пасоки могут отличаться от таковых

в целой растении.

Величина потока !?0~ из корней в листья у 12-дневной пзеницы была оценена нами двумя различными способа"-.!: изотопным и

расчетным. При 12 С в зоне корней замедляется перемещение в

надземные органы (рис.5,6), но относительное количество нитрята, оставаегося в листьях невосстановленным, одинаково при обоих температурных режимах (рис.5). У растений в условиях градиента температур меньшее количество поступгсощего в листья окисленного азота восстанавливается. Мы считаем, что наблюдгсмое замедление восстановления КО" в листьях обусловлено замедлением притока аниона под действием температуры. Задер?хга транслокации приводит также к тому, что в корнях накапливается невосстановленный азот поглощаемого нитрата (рис.5). Вследствие этого возрастает роль корней в усвоении >'0~.

Расчетный метод оценки интенсивности дальнего транспорта достаточно сироко. используется в последние годы (йиПу et п.1. , 19и1). На основания экспериментально установленного количества восстановленного (по активности НР) и изменению эндогенного содержания мы рассчитали количество нитрата, транслоцированного из корней в надземные органы (рис.66). Величины транслокации, определяемые изотопным и расчетным методами хорошо совпадают. Применив расчетный способ, мы смогли также установить величину транслокации у растений, которые росли при снабжении нитратом, а затем в течение 5 ч получали только хн£ (рис.бв). У таких растений падает уровень нитрата в корнях по сравнении с контрольными проростками, по-прежнему исполь-оующимя КГ03. Поскольку в этом случае количество поглощенного нитрата равно нулю, а количество восстанавливаемого азота по сравнению с оттекающим мало, можно считать, что фиксируемая убыль нитрата в кордах - результат транслокации аниона в надземные органы. Важным выводом данного эксперимента является то, что различия в транслокации при двух температурных режимах выявляется, когда нитрат не по-

•—100-

ь

о 3 •с

А

3 . I о. о К

-100-

/ \ - накоплено; (^-восстановлено; /\ -транслоцировано Рис.5. Характер включения поступающего в обмен у пшеницы в

Поступление

2П - запасной пул; МП - метаболический пул; ГШ - подвижный пул Рис.6. Интенсивность транслокации нитрата (мкг ,¥-Юэ на растение за 5 ч), определяемая различными методами (а - б,в -расчет) у проростков пшеницы.,; . . .,>■■,.'..-

ступает в растение. Таким образом, изменения в транслокации не обусловлены изменениями в поглощении нитрата проростками пшеницы.

Таблица 5

Температуроэависимые изменения поглощения, транслокации и редукции К"0~ нитрата (интенсивность при 12 С в ?.к 25 0),

Показатель }.Т- опыта

I 2 3 4 5 6.

Поглощение 59 33 63 47 4Ь 47

Транслокация 47 Г? 30 2В 24 27

Восстановление Ъ5 ьв но Ь6 110 Нь

Анализ влияния температуры на отдельные звенья нитратного обмена: поглощение, транслокаций, восстановление в корнях - показал, что отток окисленного азота в надземные органы замедляется при 12 С в наибольшей степени (табл.5).

Представленные вше данные убедительно свидетельствуют, что транслокация - наиболее чувствительное к действию температуры звено нитратного обмена и, очевидно, использование растением нитратного азота среды определяется именно этим этапом утилизации аниона.

ЗМШЯЕПЯЕ

Использование окисленного азота среды растениями в значительной степени определяется физиологическими особенностями вида (вее-уега г Накешап 1 19ь0) и является саморегулируемой системой. Одним из ведущих факторов, "заставляющих" систему саморегуляции включаться в работу, является температура. Под действием пониженной температуры поступление в растения снижается (Коровин,1972; Глянько, 19б9;»1111атз ,У1ат1з ,1962). Проведашое исследование позволило ответить на вопрос, какие изменения в процессах усвоения окисленного азота яедат в основе такой ответной реакции и каковы причинно-

' - 1Ь -

следственные связи между ни-а. , •

У 12-дневнух проростков паеницы, которое были предметом нечего изучения, поглощение нитрата при пониженной температуре (12 С), I в зоне корней уменьщается примерно в два;раза и тсялературозависи-мке изменения происходят практически на всех этапах нитратного обмена: поглощеши, накопления, редукции и транслокации (рис.7).

Поглощение нитрата независимо.от.температурных условий носит колебательный характер.и наличие таких коротких интервалов•смены минимума нп максимум в скорости поступления показано впервые. При: . исследовании потоков .аниона из среды в корень и необорот установлено, что соотнесение вход/выход меняется в зависимости от температуры и фона азотного питания (наличие аммония в среде), но в любом случае в итоге при пониженной температуре уменьшается нетто-поглощение нитрата (рис.?).

Исследование транспорта на уровне "среда-корень" выявило, что. уменьшение поглощения .¥0" нельзя объяснить действием температуры только непосредственно на транспортные системы мембраны. В регуляцию поглощения включено звено, связанное с измен ежием эндогенной концентрации нитрата. Кроме того, вход и выход не меняются синхронно (рис.2), как это происходило бы при изменениях только на мембране, а при изменении температурных условий имеет место либо только уменьшение входа, либо только возрастание вгосода (наследие® при действии такого дополнительного к температуре фактора, как наличие ионов аммония),. , - '

С другой стороны, еще в большей степени чем поглощение при пониженной температуре в зоне корней тормозится отток невосстановленного азота из поглощающего органа в листья (табл.5). Определение интенсивности транслокации нитрата было выполнено с использованием разных методических подходов в трехтипах экспериментой. Установлено, что температурсзввисимые изменения в.перемещении нит-

25 Г 12 Г,

ГиГГАТЕЛЫКЛ РАСТВОР Рис. 7. Схема регуляции поступления нитрата у проростков плетши в зависимости от температуры (ЗП, и ПП - запасной, метаболический и подвижный пулы нитрата соответственно).

рата не зависят от поступления аниона, то есть действие температуры на ?£анслокацию первично (рис.б). Замедление оттока КО" приводит к перераспределению окисленного азота между органами: содержание нитрата в листьях снижается, а в поглощающем органе увеличивается. Это в свою очередь определяет изменение ассимиляционной нагрузки надземных и подземных органов (рис.5).

Содержание нитрата а тканях является сложным для интерпретации физиологическим показателем, поскольку включает в себя нитрат, компартментированнкй в функционально разных пулах. Мы предлагали рассматривать нитрат корней как трехкомпонентнув систему, состоящую из запасного пула (одинакового у проростков, росшх при разной температуре), пула метаболического, редуцируемого в кордах, и пула

подписного, предназначенного для транспортировки в побег (рис.*?). Возрастание концентрации нитрата в корнях при 12 С происходит за счет увеличения размеров именно подвижного пула. В литературе сообщалось, что повышение уровня эндогенного нитрата приводит к снижению поступления аниона (Deane - Drumnond .Glass , 15ЬЗ).;Нами была выявлена еще более тесная взаимосвязь этих двух показателей. Показано наличие околочасовых колебаний концентрации £0~ в тканях корня, которые идут в противогазе'с колебаниями скорости поглощения (рис.1) и в высокой степени коррелируют (г = -0,95 при 25 С). Колебательный характер поглощения Jf0~ дает нам один из примеров' тонкой саморегуляции процесса в системе "эндогенная концентрация -вход". При 12 С коэ<*фициент;обратной корреляции падает (г =-0,58), ' так как увеличивается выход и к системе "эндогенное содержание - вход" добавляется механизм регуляции через систему "эндогенное содержание - выход".: Л Л :■;'■'■'

Исследование изменений концентрации нитрата и распределения аниона по пулам корня дало возможность выявить недостающее звено в цепи причинно-следственных связей между транслокацией и поглощением. Элементы системы регуляции выстраиваются следующим образом: изменение транслокации—изменение в подвижном пуле корней—изменение поступления (рис.?). Снижение поглощения нитрата проростками пзеницы при 12 С происходит вследствии изменения в соотношении вход/выход в результате накопления нитрата в-подвижном пуле, что в свою очередь определяется торможением оттока невосстановленного азота кз корней в зеленые органы.

Е1Б0<щ ■■■

I. Поступление нитрата в 12-дневные растения пзеницы при пониженной температуре (12 С) в зоне корней сильно аамедляется.Уменьшение нетто-поглощения !Г0~ не обусловлено поглощением. аммония и ;>

связано в небольшой степени с изменениями в поглощении калия.

' 2. В зависимости от условий меняется нитратный статус растений: при 12 С увеличивается содержание нитрата в корнях и значительно уменьшается в надземных органах, в результате снижается количество У0~ в целом проростке. Выяснено, что концентрация нитрата в тканях - лабильная величина, быстро меняющаяся в течение фотопериода или при смене азотного питания,

3. Поглощение нитрата колебательный процесс и скорость нетто-поступления ?ГО~ периодически возрастает и уменьиается с интервалом около полутора часов. Одновременно в корнях растений в противогазе" с колебаниями в поступлении возрастает и падает концентрация ГО~. Между изменениями скорости поглощения и концентрации в тканях существует обратная корреляционная зависимость с г = -0,95 у корней при 25 С и г « _0,5Ь при 12 С.

4. Нетто-поглощение аниона регулируется как через систему входа ,Т0~ (1пГ1их )> ?ак и через систему выхода У0~ (еГПих ). При пониженной температуре на фоне нитратно-аммонийного питания увеличивается выход аниона из корней в среду, без на -¡оне нитрата калия снижается поток }Ю~ в корень. В обоих случаях при 12 С в зоне'-корней по сравнению с 25 С уменьшается нетто-поглощение нитрата.

5. Предложено помимо запасного (вакуолярного) и метаболического (доступного для восстановления) пулов вычленить подвижный пул нитрата корней, предназначенный для перемещения в листья. Различия в содержании нитрата в корнях обусловлены увеличением при пониженной температуре размеров именно подвижного пула. Выяснено, что величина подвижного пула является одним из элементов системы регуляции поглощения окисленного азота.

6. Двумя независимыми способа?/!! (эксперименты с использовшш-

15

ем . и расчет транслокацки по величины» поглощения, восстанов-

лент и содержания) установлено, что перемещение нитрата из корней в надземные органы - процесс наиболее чувствительный к температурному воздействию. Замедление оттока происходит независимо от снижения поглощения и становится причиной накопления нитрата в корнях при пониженной температуре. Таким образом, регуляция поступления нитрата в зависимости от температурных условий осуществляется в системе "отток - концентрация в подвижном пуле - поглощение" и первопричиной изменений является задержка оттока нитрата из корней в надземные органы. • '"' . -

ПУЕ"Л1КЩ1И ПО TEf.iE ^iCCEFTAIv'Ji

1. Алёхина,Н.Д., Клюйкова А.И., Харитонапвили Е.В. Усвоение азота злаками в зависимости от температуры среды//Тезисы докл. в кн.: ??ек*акультетская научно-практическая конференция "МГУ - сель; CKotty хозяйству". - М.: Изд-во МГУ, 1962.-С.03-84.

2. Клюйкова А.И., Харитоназвили Е.В.'. Алёхина Н.Д. Утилизация нитрата среды проростками пиеницы при пониженной температуре в зоне корней/Дезисы Всесоюзн.,конф. Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений. - Иркутск, 1984.-С.24.

3. Харитоназвили Е.В., Алёхина Н.Д.* Поглощение нитрата проростками озимой гпзеницы в зависимости от температуры корнеэбнтае-мой зонь!//5изиол. раст.- 19Ьб. - Т.33. - Вып.2. - С.244-251. .

4. Алёхина Н.Д., Харитонашвили Е.В., Клюйкова А.И. Динамика • .• поглощения и изменения содержания нитрата в корнях проростков пге-ници//3естн. ЛГУ. Сер. биол. - 1965. Рукопись деп. в МШИ--24.03.66. Г 1939-Б. ' '"

5. Харитонагвили Е.В. ,• Алёхина Н.Д. Распределение нитрата между клеточными пулами в корнях проростков пшеницы при двух температурных режкчах/УПроблемы соврем, биологии: Тр.16 научи.конф. моло-

■ Дых учемас биофака МГУ. - 19Ь7.:- 4.2. С.125-129. Рукопись деп.

в БИНЖШ I4.09.b7. ?? 6653-ВЬ7.

6. Алёхина Н.Д., Харитонашвили Е.В., Клюйкова А.И. Изменение содержания нитрата в растениях пшеницы в зависимости от температурных условий росте//Фиэиол. раст. - 196Ь. - Т.35. - Вып.2, -

С.303-311.

7. Алёхина Н.Д., Харитонашвили Е.В. Что отражают изменения в содержании нитратов в проростках пшеницы в зависимости от температурных условий роста//Физиолого-генетические основы повышения устойчивости и продуктивности сельскохозяйственных растений. - Алма-Ата, "Наука". - 1968. - С.&2-ЙЗ.

Харитонашвили Е.В., Алёхина Н.Д. Поглощение нитрата: механизм вход/выход//Материалы всесоюзной школы-семинара, г.Чернигов.-19Ь8. - Сдано в печать.

Л-32192 24.02.89 г. Объем Р/г п. л. ; /Заказ 596. < \ . . Тираж 100

Типография'Московской с.-х. академии им; К- А. < Тимирязева 127550. Москва И-550,,,'Тимирязевская ул., 44 • ч

I ''■ • ' ' -

Бесплатно