Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У РАСТЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЯМИ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У РАСТЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЯМИ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ"

(\-3im-

На правах рукописи

УГАРОВ Гавриил Спиридонович

ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У РАСТЕНИЙ ПРИ низких ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЯМИ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ

03.00.12 — Физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на ¡эфедре ботаники Якутского гос\ дарственного университета им Ч К Аммосова МО и ПО РФ

Научный консультант—доктор биологических на\»ч Г. В. Лебедев.

Официальные оппоненты доктор биологических ник, профессор Н. И. Якушкина; доктор биологических наук М. И. Рыбакова; доктор би ОЛ ^ГИЧвСп их наук, профе^с^р В. Н. Жолкевич.

Ведущая организация — Сибирски» институт физиологии и биохимии растснии СО РАН ^,, я

Защита состоится . У ^ > 1997 г

'• /

в . час на заседании диссертационного созст

Л 120 35 07 в Московс \ои сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева \дрес 1271С0, г <\1осква, Тимирязевская ул , 49

С диссертацией можчо ознакомиться в науччгаи бибтио теке ТСХА » ,, , -, / *

Автореферат разослан . . . ' ' ' ' ' ' ' 1097 г

Ученый секретарь диссертационного совета — кандидат биологических наук

с!

< ' осева

оьшая характеристика работы

Актуальность темы. Нельзя сказать,^что область hhjkiix положительных температур была обоЛдена вниманием исследователей - напротив, холод исегда был излюбленной темой Jдля исследователей самого раз"ого профиля и ей посвящена огромная литература. Интерес к ней не ослабевает и по сей день (Жолкевич,1962; Коровин, 19S4; Зауралов.Клячко, 19S8; Мануильский и др., 1988 Родченко, I9S;¡; Лобанов,Щербинин, 1990; Войциков и др., 1991; Бело;;, 1992 Анисимов, Раткович, 1992; Третьяков и др., 1992; Кузнецов, 1992; Косулина, 1993 Лукаткин и др., 1993; Каримова, 1994; Титов и др., 1994; Трунова, Астахова, 1995; Alberdi, Corcuera, 1991; Crespi et all., 1991; Jarillo et all.,1993; Sanders, Markhart, 1993; Miguel, Browse, 1994; Kacperska, 1994) Но все же до настоящего времени внимание исследователей в основном было сосредоточено на изучение влияния двух крайних биологически »начимых областей температуры - высокой (жары) или, наоборот отрицательной (мороз), на растительные организмы. Поэтому физиологическое значение низких положительных температур, особенно околонулевых, исследовано все еще недостаточно.

Холод испокон веков используется людьми для хранения овощей, ф>руктов, картофеля и других сельскохозяйственных продуктов. Успешная разрабо са новых технологий хранения сельскохозяйственных продуктов, медицинских и биологических препаратов в холоде, а также эффективных способов обработки холодом растений (закаливание, стратификация и т.д.) с целью ускорения роста и повышения резистентности • к неблагоприятным факторам ■ среды, связаны с углублением знаний в этой области.

Особый теоретический и практический интерес представляет изучение физиологических процессов у растений при температуре +4° С, когда вода, основной компонент, среда и участник многих физиолого-биохимических процессов у живых организмов, имеет наибольшую плотность.

Цель работы. Выяснить особенности физиологических процессов у растений при низких положительных температурах и +4° С в связи с изменениями состояния воды. В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

-исследовать интенсивность физиологических процессов у растений при низких положительных температурах; '

-изучить физиологическую реакцию растений на действие температуры +4» С; .

- установить связь между динамикой физиологических процессов у растений при понижении температуры и изменениями состояния воды в этих условиях.

При исследованиях применялся комплекс современных методов и методик, которые описаны в соответствующих разделах диссертации.

Научная новизна. Фаза адаптации растений к холоду рассматривается как динамический процесс, протекающий в определенный промежуток чремени, в течение которого происходит ряд существенных изменений в ходе физиолого-биохимических процессов, приводящие к формированию стресс-структуры клетки и растительного организма в целом, со специфической криорезистентной архитектоникой. В связи с этим, фаза адаптации к холоду впервые дифференцирована и подразделена на подфазу репарации, стресс-синтеза и адаптированного к холоду состояния. .

- Впервые изучен физиологический феномен температуры+4° С, при которой вода имеет наибольшую плотность, характеризующейся переломом в ходе физиологических проце<хрв_у растений, связанный с началом стрессовых реакций на холод. *

ЦЕНТРАЛЬНАЯ НАУЧНЛР^ЗЛИОТЕКА Моск. с .. 'J ДОМНИ

ИМ. п. /,. ¡и.-^р.

Йнв. №/4~у

- Высказано предположение о том, что действие холода на физиологические процессы у рааений вызывается • не только прямым влиянием холода на физнолого-биохимнческие процессы, но может быть даже в большей степени опосредовано через изменение структуры воды, которая является не только, средой, но ч матрицей биологических структур, компонентом и метаболитом биохимических реакций.

- Показано, что в состоянии активною роста и во время адаптации к холоду темп замедления интенсивности физиологических процессов у растений при их охлаждении от 20° до 0°С, начинав с +4°С, не подчиняется правилу Вант-Гоффа.

- Впервые экспериментально установлено, что низкие положительные температуры, начиная с +4° С являются стрессорными для растений.

- Теоретически обосновано, что понятие "холод" имеет биологическую сущность и холод начинается с температуры +4° С.,

Практическая значимость и реа-чзация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, легли в основу разработки тканевого препарата, получаемого из тканей закаленных холодом растений, зимоспя'днх животных и • рыб, который успешно применяется для ростостнмуляции и лечения с/х животных. По результатам проведенных экспериментальных работ выдана рекомендация по температурному режиму хранения картофеля в овощехранилищах г.Якутска. Материалы диссертации используются в спецкурсе "Протокриобиология. П^отокриобиологнческч.е процессы у растений", который читается в течение 10 лет 'на кафедре ботаники Якутского госуниверснтета. Установленные нами закономерности реакции растений на действие холода в зависимости от их физиологического состояния могут иметь методологическое значение при проведении физиологических экспериментов.

Авторе 1975 года руководит дипломными работами студентов, а с 1986 года, будучи зав. кафедрой ботаники Якутского госуниверситета, является научным руководителем исследований кафедры по изучению физиологии, биологии, экологии растений в зоне вечной мерзлоты. Теоретические положения диссертации могут быть полезными при разработке новых технологий хранения с/х продуктов, медицинских, биологических препаратов и представляют несомненный интерес для практиков.

Полученные результаты вносят весомый вклад в понимание физиолого-биохимических механизмов, лежащих в основе адаптации и устойчивости растений к низким положительным и отрицательным температурам.

Основные положения, вынесенные на защиту:

1. При низких положительных температурах интенсивность физиологических процессов у растений не всегда подчиняется правилу Вант-Гоффа.

2. Температура +4°С," при которой вода имеет наибольшую плотность, существенно влияет на ход физиологических процессов у растений.

3. Действие низких положительных температур на физиологические процессы у растений осуществляется, крэме непосредственного влияния температуры на обмен веществ, также посредством воды через изменение ее состояния. ,

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены в виде научных, докладов на 2-х Международных, 4-х Всесоюзных и 10 региональных симпозиумах и совещания*, теоретических семинарах Восточно-Сибирского Института, физиологии и биохимии растений, кафедры физиологии растений Киевского' университета. Института физиологии растений АН Украины, Института физиолоши растений АН Молдавии, Института физиологии растений им. К.А.Тимирязева (г.Москва), Института биологии ЯНЦ СО РАН, Якутского госуниверситета. •

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в.т.ч. одна монография, 2 препринта, I брошюра в соавторстве с А.П.Кылатчановым общим объемом свыше 20 п.л. По инициативе автора и под его редакцией выпущено 3 Межведомственных сборника научных работ ученых, где авторами выступали, кроме якутских, научные сотрудники Восточно-Сибирского Института физиологии и биохимии растении (г.Иркутск), МГУ, Института физиологии растении им. К.А.Тимирязева (ИФР, г.Москва), ВИР им. Н.И.Вавилова (г.Ленинград), Института проблем криобиологии и криомедицины АН Украины (г.Харьков) и др. Сборник научных работ "Протокриобиоло! мческие

процессы у организмов" (1990,1996) будет, продолжающимся. Получено 2 удостоверения на рацпредложение. Ветеринарным управлением Республики Саха (Якутия) выдано разрешение на производство и применение разработанного нами тканевого препарата на территории Якутии (1993 год, повторно в 1996 г.).'

Объем и структура работ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложения.

Работа изложена на 343 страницах ¡ машинописного текста, включает 48 таблицы, 50 рисунков. Список использованной литературы содержит 438 источника, в том числе 105 на иностранных языках.

материалы и методика исследований

Исследования проводились в период 1972-1996 годов в лаборатории физиологии растений Института биологии ЯФ СО РАН СССР и на кафедре ботаники Якутского госуниверситета. Исследование эколого-физнологического значения температуры +4° С на растения проводилось в соответствии с проблемами, предусмотренными межвузовской научно-исследовательской программой Гособразования СССР "Экология и биосистемы" (1990г.). Получен Грант МВССО СССР.

В качестве объектов исследований были использованы контрастны.: по холодоустойчивости культурные растения: огурцы (Cucumus sativus L.) сорта "Парниковые", "Алтайские ранние" и ТСХА-98, пшеница (Triticum aestivum L.) сорта "Якутякка", ячмень (Hordeum sativum L.) сорта "Тамми" и "Полярный", холодоустойчивое растение - горох посевной (Pisum sativum L. ) сорта "Каьлтал", теплолюбивое растение из этого же семейства (Fabaceae) - фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris L.), картофель (Solanum tuberosum L.) сорта "Приекульскнй ранний", из этого же семейства пасленовых более теплолюбивое растение - томат (Lycopersicum esculentum L.), лук батун (Allium fistilosum L.) и др.

Для массовых исследований биоэлектрической реакции растений на холод было использовано большое количество местных видов растений, относящихся к различным семействам и классам, в частности, представители семейства Бобовых (Fabaceae) - клевер люпиновидный (Trifolium lupinaster L.), вика мышиная (Vicia cracca L.); из подорожниковых (Plantaginaceae) - подорожник большой (Plantago major L.), из Лютиковых (Ranunculaceae), прострел желтеющий (Pulsatilla flavescens L.). из Мятликовых - пырей ползучий (Eletrigia repens L.), из Астроцветных (Asteraceae) - одуванчик рогоносный (Taraxacum cerat^horum, (Ledeb.) DC.), из Розоцветных (Rosaceae) - кровохлебка аптечная (Sanguisorba officinalis L.), a также древесно-кустарниковые - лиственница Каяндера (Larix Cajanderi-Мауг.), береза плосколистна*- (Betula platyphylla Sukacz), ива сухолюбивая (Salix xerophyta Flober.) и др.

В лабораторных условиях растения выращивались в камере искусственного климата. В частности, огурцы, горох выращивали в виде рассады: Предварительно проклюнувшееся семена сеяли в горшочки размером 7 х 7 х 10 см из

--Î-

полиэтиленовой пленки, набитые перегнойно-земляной смесью, приготовленной согласно рекомендации зональной системы земледелия. Рассаду выращивали при освещении 5000 лк, фотопериод 12/12 часов, и температуре -28"С.

Рассаду ячменя и пшеницы проращивали из семя» на увлажненной фиг.ътроваг чой бумаге в чашках Петри или рулонным методом. На 7-е сутки воду заменяли на 0,5"/» раствор Кнопа.

Интенсивность дыхания и фотосинтеза листьев растений изучали при помощи инфракрасного газоанализатора "Инфралит • 4" (ГДР) по методу, описанному П.Л.Воэнссснским (Вознесенский" и др., 1965; Вознесенский, ЩерОатин, 1981) и инфракрасно-акустическим газоанализатором KIP-9010 (Япония), с выводом и обработкой данных на ЭВМ.

Методика выделения хлоропласто« была нам:- освоена в лаборатории фотосинтеза Института физиологии растений им. К.Л.Тимирязева (ИФР, г.Москва) под руководством д.б.н Н.Г.Бухова. Динамика ■ интенсивности фотохимической активности изолированных хлоропластов определялась по скорости восстановления феррицианида калия (Гавриленко и др., 1975). Изучение активности митохондрий осуществлялось с использованием электрода Кларка (М.Г.Зайцева, З.В.Титова, 1970) и проводилось в лаборатории экологической биохимии ЯНЦ СО РАН (зав. В.Г.Алексеев. М.И.Мярикянов).

Методы изучения водообмена были нами освоены на кафедре физиологии рягтений Казанского университета под руководством профессора И.Г.Сулсйманова. Фракционный состав воды в листьях определяли по методу И.Г.Сулейманова (1968), интенсивность поглощения во„ы - весовым методом по В.Д. Зелепухину (1973), который нами освоен под руководством авторов -В.Д.Зелепухина и И.Д.Зелепухина (KCXVi, Алма- Ата), а также при помоши прибора, собранного автором, на который было получено удостоверение на рацпредложение.

Исследование состояния воды при помощи ЯМР осуществлено на кафедре физиологии растений Казанского университета под руководством сотрудников кафедры по Гану (Сулеиманов, 1968).

Интенсивность транспирации и состояния устьиц изучались на аппарате KIP-9010, который позволяет производить измерения температуры воздуха а камере, температуры листа, площадь камеры, влажность воздуха, концентрации СО2 в «сячере, наружном воздухе и в межклетниках, COj обмена, интенсивность транспирации, состояния устьичной проводимости (Ogawa, Shivato, 1973). Величину устьиц, после снятия отпечатков по Полаччи измеряли при помоши микрометра под микроскопом. . ■

Активность пероксидазы опре еляли по начальной скорости окисления 0-дианизидина по О.ВЛебедевой (1978) в лаборатории экологической биохимии ЯНЦ СО РАН под руководством ' к.б.н. А.А.Попова и A.A.Перка. Биоэлектрическую реакцию растений на холод регистрировали на установке, собранной по методике И.И.Гут ipa (1972), при этом у автора.методики получала много ценных советов. • ' , .

Замедленная флуоресценция у проростков пшеницы исследоьмлась в аппаратуре, сконструированной в мастерской кафедры биофизики Московского государственного университета (Маренков, 1972; Тарусов, Веселоаский, 1978). При этом пользовались консультацией сотрудников этой кафедры В.А.Веселовского, А.А.Кононенко и др.

Определение' скорости' роста проростков пшеницы при различных температурах, холодовое закаливание, яровизация семян-растений проводились в холодильнике, переоборудованном специально для этой цели, с дистанционным контролем температуры. ■ t ' ■.

-Н-

Температуру листа при изучении термогенерации измеряли электротермометром с микродатчиками системы Карманова. ■ ■

Статистическая обработка материалов проводилась ло А.Доспехову (1973).

3. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕСС » У РАСТЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ СОСТОЯНИЖРЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ)

3.1 Водообмен 3.1.1. Динамика поглощения воды

Мь» » своих опытах по исследованию поглощения воды растительными тканями при различных низких положительных температурах использовали листья различных растений.

Как видно на рис. I, интенсивность поглощения воды листьями березы по мере падения температуры постепенно снижается Однако линейный характер снижения процесса поглощения воды идет до +4°. С и в зависимости от состояния растения значительно меняется. У активно растущих растений при температурах ниже +5° С поглощение воды идет медленно, но уже не зависит от температуры - кривая выходит на плато. Это скорее всего указывает на то, что при этих температурах, процесс активного поглощения* воды не идет, а вода

_' пассивно' поступает в листья через

также в результате усиления проницаемости

I

I

,4 (И =

• I I Ь * I I Т I I и

устьицы и> поры кутикулы, а м«мбраны (Лукаткин и др., 1993).

Листья, березы, взятые в утренние часы после прохладной ночи или предварительно закаленные в холоде выдерживание«« в течение суток при температуре +4° - 5° С, резко меняют характер поглощения воды. Так, у них снижение интенсивности поглощения воды идет линейно'до. +4° С, а в дальнейшем этот процесс постепенно усиливается по мере понижения, температуры, при +1°С тканы, поглощали, такое же количество воды, как и при +15° С, в то же время при +4РС этот показатель был более 2-х раз ниже, чем при указанных температурах.

Шю мере старения и естественного закаливания листьев в природных условиях » канале сентября их реакция на действия низких околонулевых положительных температур, несколько ослабевает, но при этом основные черты - минимум поглощения, воды в. области +4° С и повышение со интенсивности по мере дальнейшего снижения.температуры - сохраняются.

Интересно, отметить«, что у теплолюбивого, растения - огурца сорта ТСХА -98. наблюдается, такой же- характер' динамики поглощения воды листьями этого растения, по- мере- снижения температуры. Листья активно растущих растений -огурцов, также; как, и листья активно растущей березы, при температурах ниже +5° С практически; не меняют интенсивность поглощения воды.

После холодового закаливания в течение с>ток npvr температуре +4° - 5°С тистья огурцов начинают уси пенно погтощать воду, при см ">тот процесс идет тем интенсивнее, чем ниже температура При -»том минимум поглощения воды приходится на температуру +4" С (рис 2)

Т лким образом, у

представителей систематически отдал енн ч ipvr от друга и оттичающихся между собой по отношению к холоду растений имеется схожая динзмика

поглощения воды гри низких потожительных температурах

уси ивчется поглощение воды тканями Этот факт не ».огиостгя с правилом Ваит Гоффа и "ребует всестороннего оемьеле ия Вторая особенность установленная нами в этом процессе, - это температурная граница перелома хода гопощения воды которая находится при температуре <-4°С Установ-сние данное яагения примечательно тем, что при +4« С вода имеет наибольшую плотность, наименьыии объем и, видимо, особую структуру

3 12 Динамика состояния устьиц

Устьица максимально открыты гри -»-20" С При снижении температуры листа до +5' С тирш устьнчнои щели уменьшается с 10 99 до 5 18 мк При снижении температуры листа <-JaC до *4»С размер щели уменьшается с 3 S3 мк до 1,05 мк, тогда как в остальных случаях при снижении температуры -иста на Р уменьшение устьичной щези составляет всего от 0,4 до 0,6 мк Интересным явгяется то что гри дхи-нсишен снижении температуры тиста происходит уьеличение ширины устьичной - при * 3J С ина равна I 6а мк, а при -«-20 С -

1,76 мк, т е на 0,63 и 0,71 Мк «¡ответе jchiio шире, чем при +-*1 С Однако при +1® 'С щели вновь сужаются и можно уже наблюдать полностью закрытые устьица У устьиц -иста традесканции при ох-а лении иабподается такая же картина, как и у устьиц -иста березы гри темпера type С щели резко сужаются, встречаются и закрытые устьица При дальнейшем снижении темгературы щели вновь расширяются,нопр.( *■ 1'С сгоблсужаются

313 Дирдмиха устьичнои 1.рово„имости

Устьичная проводимо ь характеризует степень о1крытхзсти устьиц и определяется по изменению ко ~ичсстт.а „о (Духа, прошедшего через устьица за единицу времени {Ogawa, ShiVulo, 1973)

На рис 3 показана динамика устьичнои проводимости у листа пшеницы сорта "Якутянка 24-. без предварительного закччивания по мере охчаждения Как видно на рисунке, по мере охлаждени> чиста усгьи тая проводимость снижается Бросаег.л в глаза ступенчатое«. снижения зтого показателя с некоторыми

. Динжинка <"» ишгам нш яюими бгртш и олрш (mw№M в vmv)

20 18 IS

1 2 3 4 5 б 6 'О 15 Л

Огуриы I Конец июня 2 Качало августа 3 На »ало сентября

Береза 4 Начало августа» 5 Начало сентябри

пикообразными изменениями при высоких температурах. Однако, начиная с температуры, близкой к +4° С, дальнейшее снижение устьичной проводимости прекращается, оставаясь на одном и том же уровне. Самое интересное здесь заключается в том, что прохождение воздуха приобретает пульсирующий характер с 'Частыми замираниями. Это указывает на периодическое захлопывание и открывание устьичных щелей, то закрывающей, то открывающей путь к потоку воздуха. Пульсация при температурах выше +4° С не наблюдается.

Рис. 3 Динамика устьичной проводимости лнстьеа пшеницы сорта Якутаика-

Холодовое закаливание существенно меняет устьичную проводимость листа пшеницы (рис. 3). Прохождение потока воздуха через щели полностью прекращается при температуре, близкой к +4° С. Пульсация не наблюдается.

3.1.4. Динамика транспирации

Как видно на рис. 4, интенсивность транспирации листа пшеницы постепенно снижается одновременно с падением температуры. Характер . кривой интенсивности транспирации меняется, начиная с температуры, близкой к +4° С -приобретает более спокойный характер, а с +2,5° С выходит на плато. Интересно, что процесс транспирации, хотя некоторая тенденция к пульсации имеется, все же строго не следует за изменениями состояния устьиц.

Динамика интенсивности транспирации после холодового закаливания пшеницы также меняется в области температуры +4° С. Однако самое интересное заключается в трм, что при дальнейшем охлаждении листа транспирация прекращается и начинается процесс поглощения водяных паров из воздуха. Не менее интересно и другое - устьица в это время закрыты, а поглощение воды идет довольно интенсивно. По-видимому, поглощение воды происходит через кутикулу.

Рие I Дммнка ■■»нтшкп гртпнршмн лит! пикимиы И«)Т«ж»-1М

Транспипщи^ ГИРЛАМ ""С

I - активновегетирующее состояние, 2 посте холодового закаливания

Такая же динамика транспирации листьев наолюда^гся \ листьев ячменя сорта Гамми' Пр1 низких околонулевых пою-»ительных тем!ературах происходит прекращение транспирации и начинается обратный процесс поглощения вод ных паров из воздуха Попощение 1. дяных паров начинается при температурах ниже +4® С при закрытых устьицах При зтом данный процесс имеет гульсирующии характер Таким образом, пульсация щелей устьиц не является процессом автоночным, а имеет, по всей видимости, общий физиотогическин характер

3 I 5 Состояние воды в тканях растений

Нас интересовало влияние низких положительных температур на соотношение свободной и связанной воды в тканях растений Опыты проводились на разных растениях и во всех случаях получены принципиально одинаковые результаты В связи с этим мы приводим материалы, полу <енные при опытах с )СТьями луха-батуна (АПшт ПзЫо$ит I, ) ВыЬор объекта определялся и тем, что на данном растении изучалось состояние воды с применением современною метода »типового эха - ЯМР

'РйуЛвтаты измерений показыязют, что время спин-сш новой релаксации (Тг) •в чукгШТунспри гониженных температурах уменьшается (л абл I)

Уменьшение времени релаксации (Тг) в данном случае мег~о быть обусловлено падением подвижное! и спинов водорода в связи с увеличением структурированности воды

Через 30 минут, когда ткани лука гриняли комнатную температуру, Тг почти Ие отличается от времени релаксации контрольных растений Это свидет льствует о том, что подвижность молекул воды при комнатной температуре в опытных растениях не отличается от подвижности молекул воды контрольных растений, что указывает.очевидно, на быстрое разрушение льдоподобнои структуры воды при повышении температуры

Таблица 1.

Время релаксации (Т;) молекул воды в листьях ., лука батуна после воздействия на них холодом ■ и в нормальных условиях <

№ Варианты Температура определения, . оС Время релаксации (Тг), мсек

1. Контроль 22 0,59 ±0,01

2. Опыт (листья лука, продержанного в холоде +4-6» С) 15 0,53 ± 0,01

3. Опыт (те же растения через 30 минут) • 22 0,58 ± 0,01

Результаты параллельно проведенных опытов весовым методом по изучении состояния воды в листьях лука батуна приведены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние низких положительных температур . на состояние воды в листьях лука батуна

№ Показатели водного режима Опыт 1 ■ Контроль 4- 15 »С ' 22° С

I. Общее количество воды в % на сырой вес 91,0 ±3,5 90,0 ±3,0

2. Свободная вода в % на сырой вес 19,0 ±2,5. 25,0 ± 2,5

3. Связанная вода в % на сырой вес 72,0 ± 3,0 65,0 ±2,5

4. Величина соотношения свободной связанной воды 0,29 0,39

Из данных таблицы видно, что подвижность молекул воды в опытном варианте уменьшается, о чем свидетельствует более низкое содержание свободной воды в листьях, чем в контроле.

Интересно отметить, что такое сравнительно большое различие в содержании связанной и свободной воды не отражается во времени релаксации (Тг). Это происходит, по-видимому, потому, что связанная вода в луке, образовавшаяся под действием пониженной температуры и обнаруживаемая весовым методом, при обычных температурных условиях не обладает повышенной структурированностью, т.е. имеет ту же структуру, какую имеет свободная вода, содержащаяся в листьях лука батуна как контрольной группы, так и опытного варианта.

Таким образом, при пониженных температурах подвижность молекут воды, на наш взгляд, может быть ограничена следующими основными причинами 1) образованием тьдоподобнои структуры воды, 2) накоплением осмотически активных веществ - криопротекторов и 3) механической иммобилизациеи воды макромояек тами белка в реЗ)1ьтате изменения их конформаиии под действием холода О жачителыюм вкладе иммобилизованнои воды в составе связанной, убедительно показано в работе Н А Аскоченскои (1982)

3 2 Погющение элементов минерального питания

Активнорастущие растения пшеницы практически прекр щают П01Л0щение

Совсем по-иному ведут себя закаленные в холоде растения пшеницы Ei in у незакатенных, как мы уже отметили выше, прл околону~евых температ pax происход! т резкое снижение попошения .VOi, то посте закативания растения, наоборот, нач шают усиленно попощать нитраты При этом минимум процесса гриходится на температуру близкую к ■» V С Интенсивность попощения нитратов при низких положительных температурах коррелирует с интенсивностью погзощения воды растительными тканями в этих же условиях Это вполне закономерно, так как растворенные ионы по

видимому, преимущественно поступают в растительные ктетки и ткани, вместе со своим растворителем - водой

3 3 Энергетический обмен

Дыхание изучалось различны .и методами и приборами начали с манометрического, в аппарате Варбурга, а потом использовали инфракрасный газоанализатор "Инфалит-4" (ГДР) " в последние годы работали на инфракрасно-акустическом газоанализаторе К1Р-9010 (Япония)

33 I 1 Динамика дыхания листьев

Изучалась динамика интенсивности дыхания пистьев у активнорлстуших растений березы плосхолистнои, картофеля сорта • Приекульский ранний" и ' пшеницы сорта "Якутянка 22""

ионов NOt начиная с +4° С (рис 5)

Рис S Динамика интенсивности

ЛОГЛОЩКИИЯ МММ МО) при НИЗКИХ

положнппыкм *ммп«ратурах

1ÍJ.1

ill 1 ш

* 1 05.

- Рядг

I - ает-ивкорастуике растение

2- растение после жояодового закаливания

Как видно на рис. 6, дыхательная активность листьев всех трех видов растений падает по мере их охлаждения. Интересно здесь то, что такое подавление

------интенсивности дыхательного

р жб. Динамика щт*нсмвмостм дыхами листмв раст«|'ий при охлаждении

Т«амрллур«.С

1- береза плосколистная; 2- пшеница сорт "Якутинка-

224"

3- картофель , сорт Приекульскнй ранний ; 4 • фон содержание углекислоты в воздухе

! газообмена листьев идет только до +4° С, • а дальнейшее охлаждение практически не вызывает изменения этого процесса.

У таких систематически отдаленных друг от друга, отличающихся по устойчивости и по целому ряду других: анатомических, орфологических, физиологических, и т.д. параметров растений, как картофель, ячмень и береза, кривые кинетики интенсивности дыхания, отличаясь лишь количественно, имеют

совершенно одинаковый

хграктер.

После холодового закаливания ход динамики интенсивности дыхания

существенно меняется. У листьев

АЕТДшиамаовааидминкма рсянАприаотачовнмфюаажпнрвоо

|. берем плосколистная; 2- пшеница; 3 - картофель; 4 - фон

картофеля интенсивность

дыхания повышается постепенно по мере приближения

температуры к 0° С и минимум этого процесса приходится на температуру +4° С, . У листьев березы и пшеницы кривая динамики интенсивности

дыхания имеет чуть иной характер. У этих растений минимальный уровень дыхания наблюдается . при температуре, близкой к +5® С, а в области" +4° С, наоборот, . резко повышается (рис 7).'

Перелом в динамике дыхания происходит также, как и в динамике водообмена, в области +4° С.

3.3.1.2. Динамика дыхательной активности митохондрий

Была изучена . кинетика интенсивности дыхательной активности изолированных митохондрий у холодоустойчивого растения -пшеницы сорта "Якутянка-224" и теплолюбивого - огурца сорта "Парниковые".

Дыхательная активность митохондрий огурца сорта "Парниковые" в процессе их охлаждения мало подавляется при снижении температуры с +20° С до +5° С. Интересно отметить, что митохондрии все еще очень активно функционирующие при температуре -»-50С (17 мкАО/мг белка мин.) при снижении температуры всего на 1° С, т.е. при температуре +4° С, практически инактивир) отся - во всяком случае, в течение 5 мин., за которые инкубировались митохондрии в дыхательном субстрате при изучаемой температуре, поглощение кислорода шгго хондр и я м и нами не обнаружено (рис. 8).

I .................." ..............У "Якутянки-224" снижение

Рие-8. Кривая динамики интенсивности ' , ИНТСНСМВНОСТИ ДЫХаМИЯ МИТОХОКДрИЙ

, »-""">»>.«..»ост« мп,«-.о»лр.». | п0 м охлаждения происходит

I изолированны хот рсормей »ктнено _ __^ л

.ег,п.„и,ш„. «р..,«.., сперва постепенно, но затем резко

охлаждения | ускоряется при температурах ниже

I +10° С. Можно было ожидать, что у

[ холодоустойчивого, даже

. сравнительно морозоустойчивого '

; * « . ' растения, каким является пшеница,

I } | ■ ^¡г^* г 1 1 ---' Дыхательная активность

! £ | ||—____I ! .. р»дг' ' М1,тох°ндрнй будет слабо

■.....'--- , подавляться низкими

| положительными температурами.

; Однако дыхательная активность

> ю и го ■ 1 пшеницы т*кже резко падала точно

таипараттра.Ъ ; ПРИ той же температуре, на которой

! происходило резкое подавление

. дыхания митохондрий огурца, то есть

при температуре+4°С.

, „ Таким образом, нижней точкой

I - пшеница (сорт Якутянка- 224); „ ' „

2- огурцы «сортПарниковые) "ли границей активной дыхательной

деятельности мнтохондрий теплолюбивого огурца и активнорастущего холодоустойчивого растения - пшеницы является одна и та же температура - +4° С. Из этого, очевидно, следует, что для этих растений температуры, лежащие ниже +5° С, являются особо неблагоприятными для нормального роста и развития.

Холодовая обработка существенно не влияет на характер кривой кинетики дыхательной активности' митохондрий, выделенных из огурца, только резкое подавление их окислительной деятельности происходит уже при температуре+3° С, а дыхательная активность митохондрий закаленной пшеницы постепенно падает по мере снижении температуры. Однако такое падение дыхания идет только до +5° С - 6° и затем при температурах +4»-5° С наблюдается его вспышка, которая по интенсивности несколько выше, чем при +20° С. При дальнейшем охлаждении дыхательная деятельность митохондрий круто снижается..

3.3.1.3. Термогенерация у тканей растений при охлаждении

«

Считается, что температура растения в основном близка к температуре окружающего воздуха, однако энергетические всплесхи при низких положительных температурах, по-видимому, проявляются в'тканях растений в виде температурных флукту. дий.

Нами были из, ¡ены изменения температуры ткани листа фасоли, картофеля; гороха посевного и березы плосколистной в акгивнорастущем состоянии и после холодорого закаливания в- процессе охлаждения. Кроме того, измерена

температура подкорового слоя стебля березы плосколистной в условиях естественного произрастания в ранневесенний период.

О выделении тепла тканями растений по скорости снижения их температуры при охлаждении (в град/сек.). Листья растения помещались в микрохолодильник и температура их ткани измерялась игольчатым термодатчиком системы Карманова.

Результаты измерений приводятся на таблице 3.

Таблица 3.

' Продолжительность падения температуры тканей растений при охлаждении (град/сек).

Объект Температура объекта, °С

исследования 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Горох

незакаленный 30 27 24 36 28 32 43 43 65 67

закаленный 27 25 24 22 26 28 16 27 40 42

Фасоль

незакаленная 29 28 33 31 37 41 45' 56 73 108

закаленная 21 24 23 30 31 33 48 50 67 34

Береза плосколистная

незакаленная 24 25 28 30 п 51 34 38 59 60

закаленная 21 28 25 28 32 32 29 45 33 69

Картофель

незакаленный 20 23 23 24 25 27 29 32 43 43

закаленный 12 19 19 16 17 22 16 23 30 30

Как видно из данных таблицы, наибольшая задержка в падении температуры тканей наблюдается, начиная с температуры +4° С. У незакаленных задержка Солее значительна, чем, у закаленных. Причем она наиболее ярко выражена у тканей теплолюбивой фасоли.: Это, по-видимому, свидетельствует о разобщении между процессами окисления и фосфорилирования при дыхании. Холодостойкая береза реагирует менее значительно. После закаливания выделение тепла уменьшается. При температуре +4° С наблюдается убыстрение падения температуры.

Выделение тепла не самый лучший способ защиты растений от действия длительных холодов. По-видимому, после завершения холодового закаливания, растение уже не выделяет много тепла. Об этом свидетельствуют измерения температуры растений в осенний период - температура их не отличается от температур воздуха. ■

. 3.3.2. Фотосинтез

3.3.2.1. Динамика фотовосстановительной активности хлоропластов

Фотовосстановительную активность изучали у хлоропластов, выделенных из листьев пшеницы и огурца при охлаждении. Как видно .13 рис. 9, при охлаждении хлоропластов, выделенных из листьев огурцов, их фотохимическая активность до 6° С снижается более или менее равномерно, начиная с +5° С она резко падает и при • температуре +4° С и ниже при 6-минутной экспозиции восстановления феррицианида калия не происходит. Фотохимическая активность хлоропластов, огурца при пониженных температурах значительно ниже, чем у пшеницы, и резко падает также при температуре +4° С.

Рмс.9 1^>ивая лниямикн фотохимической Холодовая обработка

wo».««™хпорллжто. выделенных« стимузирует фотохимическую

Л«п...огУрцд(сорт|к.р«-^ые)ипШе«-цы активность х-юрошыстоа до двух

(сорт купшш- и бопее раз Но при этом самым

интересным является то что

„ | б фотохимическая активность

, 31 200 До*0* . рва) хюротастов выделенных из

' ? > ? 150 oöiitT^1 холодоустойчивого растения -

| 4 s ют* ?>* Ао»00? —о— рпдз пшеницы, вместо того чтобы

I | 1 ы I „о»0' . рдд, резко снижаться, как это

s ! л наблюл' юсь в период активного

" о- о * роста, наоборот, скачкообразно

0 2 4 6 8 101214 1619 20 r r , j.c.1/- in

повышается в ооласти +5° С - +44 т«мп<р«урв с С. а затем постепенно падает гри

дальнейшем снижении

Актианооегетирунмцнерастение 1-огурцы 2- температуры

"шеница , , У теплолюбивого огурца

После холоаового эдквят&кнв 3 - ишенииа 4 - ..

огурцы такая вспышка фотохимической

активности хзоротастов в

обтасти <-4°С - 1-5®С и „ругих низких положительных температур не набзюдается

Своеобразная вспышка фотосинтетической и дыхательной активности v растенли,

происходящая в области температур *4°С - +5°С и достигающая значительной

величины, характерная особенность реакции холодоустойчивого растения на

действия неблагоприятных температурных условий Естественно предпотожить,

что между вспышкой дыхательной и фотохимической активности с одной стороны,

и закаливанием растений, с другой стороны гри воздействии на них холодом,

имеется определенная взаимосвязь Другими словами, в результате вспышки

физиологических процессов при действии небзагоприятной холодной температуры

в клетках растении г роисходит сложная физиолого биохимическая стрессовая

перестройка, которая приводит к повышению резистентности растений к чозоду

Вспышка физиологических процессов в обчасти +4°С - +5°С, очевидно, является

стрессовой реакцией растения на холод и лежит в основе физиологии закаливания

Таким образом, в фотохимической активности хлоропластов

холодоустойчивых растений в зависимости от предшествующих условий при

охлаждении можно заметить три типа реакции

1 резкое подавление фотохимической активности - криошок в области +4° С, которое наблюдается у активно растущих растении,

2 резкий скачок фотохимической активности в области +4°С - +5°С, характерный для закаленных холодом растении,

3 более или менее равномерное падение фотохимической активности по мере снижения температуры, процесс подчиняется гравилу Вант Гоффа и имеет место при нарушении оптимального, прежде в^его, температурного режима вегетации растений (рис Ю)

• Последний - третий тип реакции фотосинтеза, судя по всему, наиболее часто встречается в исследовательской практике, так как в большинстве случаев

•........................ ......... - - --■---. экспериментаторы имеют дело не с

р«.1о.»^м.нк,п^ла^с,Хс»о..» активнорастущими или закаленными

р*"*""в "•■•«•"«»♦•«».««■..«.» • холодом растениями, а с растениями,

актиииоми их хяороплк,ок яри охлаждении (ик . * ' '

яримсн пшеиииы «орп якушики-224) : У которых во время вегетации ДО

! начала экспериментов был нарушен ; нормальный температурный : или | ; водный режимы. Нарушение

| * и! __,1 нормального температурного режима

? 8 / 1' может произойти и во время опытов,

1| . * ;-о-р««1,; особенно при длительной экспозиции

• 11 ::; ;-*-"««': растения или его органов в холоде.

; § " ------.--Г,—' ' У теплолюбивого растения -

! • " * ; огурца в фотохимической активности

', I выделяются два типа реакции:

1 =~активяовегетирутощее растениет ' . пштяилрнир

2-3-слабозакаленныерастения; , 1-резкое подавление

4 - хорошозакаленные растение фотохимическом активности

хлоропластов (криошок) в области +4° С, которое наблюдается также во время активного роста, 2. равномерное падение фотохимической активности по мере снижения температуры, которое происходит после холодовой обработки растения.

-Таким образом, нами прослежены основные закономерности изменения кинетики ключевых физиологических процессов у представителей контрастных по устойчивости к холоду растений при охлаждении, при этом установлено, что основная роль в проявлении аномалий в области +4" С - +5° С определяется предшествующими условиями вегетации.

3.3.2.2. Динамика замедленной флуоресценции.

Наши исследования по изучению замедленной флуоресценции у литгьев пшеницы, ячменя в процессе их охлаждения, проведенные совместно с к.ф.-м.н. доцентом К.А. Степановым в лаборатории биофизики Якутского госуниверситета, показали значительное повышение этого показателя при снижении температуры. Стремительное усиление флуоресценции начинается примерно с +6°С и при этом' наблюдается заметная флуктуация в области+4" С.

. 3.3.2.3. Активность биохимических процессов

Активность биохимических процессов у растений при низких положительных температурах мы изучали на примере фермента пероксидазы. Весьма широкий спектр функций, множественность молекулярных форм, высокая чувствительность к внешним воздействиям делают пероксидазу адаптогенным ферментом с широкой экологической пластичностью (Тажибаева, 1986; Савич, 1989; Титов и др., 1992; Алексеев, 1994). -

.Однако до" сих пор активность' пероксидаз при различных низких положительных температурах исследована слабо.

РнсЛЦмимнптнинкпикрткснлш, BuKWHitux и] erypui с ирга ТСХЛ 88 н гороха

сорт "Капитал"

Тамларагура.'с

-, Сравнительный анализ

■ активности пероксидазы

' теплолюбивого и

i холодоустойчивого растения ; показывает, что у теплолюбивого лдГ| огурца закаливание стимулирует i активность пероксидазы при I ! температурах выше +4° С, а у холодоустойчивого гороха,

наоборот, при низких положительных температурах, начин'Я с +4°С (рис. ¡I). По-видимому, в клетках

холодоустойчивого гороха

накаплиьаются криорезистентные стресс-изоформь пероксидаз, активные в холодных условиях. Активность пероксидазы нами изучена также и у других растений: ячменя сорта "Тамми", полыни монгольской (Artemisia mongolica L.), иван-чая узколистного (Chamajenerium apgistolium L.) и др. и ве-де получены сходные результаты.

"Па примере изучения активности пероксидазы и анализа литературных данных можно предположить, что указанные изменения биохимических процессов у растений при низких положительных температурах наиболее интенсивно начинаются с температуры+4° С.

3.5 Биоэлектрическая реакцс ! растения на холод

1- огурцы; 2- горох (закаленные); 3- горех (незакаленные) J

' , ~ . Биоэлектрические потенциалы

Рио.12. Криоь* донам»"* биопотенциале* '

теплолюбивых рес|ен*.и, предварительно ' | НеПОСреДСТВСННО СВЯЗЯНЫ С

■ обработать« «олодо* при ожлааиаеиии . ПрОЦСССЭМИ ЖИЗНеДеЯТСДЬИОСТИ

клеток и отражают интенсивность протекающих в них процессов | обмена веществ (Опритов и др., 1991). .

. . Незакаленные растения не реагируют на действия температур, лежащих ниже +5° С. Холодовая обработка теплолюбивых растений низкими положительными

температурами . существенно не отражается на кривой кинетики, величины биопотенциалов. ,

После закаливания в кинетике величина биопотенциалов у холодоустойчивых растсниГ появляются аномалии в виде вспышки или постепенного повышения величины биопотенциалов, которые имеют место также в области^" С -5° С. '

Как видно на оис. 12, величина биопотенциалов стебля картофеля имеет минимум в области температуры 4° С и при дапьнейшем снижении температуры постепенно повышается. Такую же тенденцию, как известно, имеет' кинетика дыхани.. клубней картофеля. •

I - проростки огурцов ; проростки фасоли

Рно.11. Сычм мт«ми вчиппйишм у пнмммим <о»рт Пкутвма-234) а («теш *4 С по«л* нттоп

В ОТЛИЧИС ОТ КИНО ИКИ величины биопотенциалов стебля картофеля в кинетике величины биопотенциалов других Солее . холодо- и . морозоустойчивых растений, чем картофель, в области 4° С и 5°С наблюдается режий скачок в сторону ее повышения, а ; при дальнейшем охлаждении, наоборот, .постепенное снижение (рис. 13).

Иногда у. холодоустойчивых растении (пшеница, прострел , желтеющий, береза плосколистная, подорожник большой и др.) наряду с

___________ ______ __________ ______ повышением величины

биопотенциалов наблюдается своеобразное колебательное ее движение со значительной амплигудой. Обычно оно регистрируется в сравнительно узком интервале температур от 5° С до 4° С гЗ°С или 2° С, а затем постепенно затухае1^(рнс._14)^_ ________

Эта

РмЛ^^Ъстшнм итуиишк ааюка-гсбаинс величины бтиютениналоа,

которое н^&иолитса у растений при пипс|мт]1ич ниже 5,4, иногда н ниже 3 С

разновидность ответной реакции растения на

неблагоприятные темп?ратурныо условия, на наш взгляд, имеет большой теоретический интерес, так как эти данные впо;..1е можно интерпретировать кзк следствие механического дрожания клеток и тканей мерзнущих растений, подобно дрожанию тканей животных организмов в холоде, которою таккм способом вырабатывают

дополнительное тепло для поддержания температуры своего тела.

Создается впечатление, что чем устойчивее растение к низким

" ---1 положительным температурам и к

морозу, тем резче реакции на действие температур, лежащих ниже 5° С. Холодоустойчивые, но не морозоустойчивые растения, например, картофель, реагируют на .понижение температуры постепенно, без скачков. У теплолюбивых же растений практически ответная реакция на действие холода отсутствует или находится лишь в зачаточном состоянии.

ч & «

Тамларатура.%

3.6. Рост и развитие

3.6.1. Ростовые процессы

О подавлении роста температурами лежащими ниже +5°С могут по тужить наши наблюдения над проростками клубня картофеля, .которые хранились в подвале, вырытом до мерзлоты (2,5 м), где температура в течение года колебалась

от 0°С до +3°С. Клубни не прорастали в течение 2-х лет, (дальше наблюдения не проводились).

Низкие положительные температуры начиная с +4" С являются губительными для теплолюбивых растений. ,

Однако, холод не всегда убивает или подавляет ростовые процессы. Есть материалы, показывающие усиление. ростовых процессов в области -*-4°С у проростков корней кукурузы (Родчсмко и др., 1969), пекана (Шоу, 1955), серой гнили (Рубин. Метлицк.ш, (965) и др.

Обобщая имеющиеся данные по динамике роста растений при различных низких положительных температурах, можно выделить следующие особенности:

1.Рост растений подавляется в процессе охлаждения экспоненциально падению температуры и идет вплоть до О °С. Часто встречающееся и

. общепризнанное явление. ■ . .

2. При температуре, близкой к 4°С не только прекращается рост, но само растии-е гибнет. Это всем известное свойство теплолюбивых растений.

3. Рост р;к гений прекращается или, наоборот, начинается с температуры +4°С-5Г'С." Это явление также часто встречаете« у растений, и на него обращают мало внимания. Оно типично для холодоустойчивых и морозоустойчивых растений, если они подвергаются в активнорастушем состоянии действию холода или когда вь-ходят из состояния вынужденного покоя. Последнее указывает на то, чт/} для большинства морозоустойчивых и холодоустойчивых растений, при

" длительном действии низких положительных температур, лежащих ниже +4"С, : происходит остановка роста и растение переходит в состоянии покоя.

3.6.2. Развитие растений

При низких положительных температурах, в отличие от ростовых, хотя и в замедленном темпе, все же идет процесс развития растений. Причем эта стадия или это развитие идет при низких положительных температурах, и как правило, при +4° С или ниже.

Считается, что у растений умеренного климата и их семян при низких положительных температурах в период покоя происходят определенные качественные изменения протопласта клетки, которые способствуют их более быстрому развитию. На этом основан прием стратификации семян с/х растений. Если раньше, семена замораживали, то в настоящее время исследованиями установлено, что температуры от 0°С до +5°С для стратификации семян гораздо эффективнее, чем замораживание. . > -

Стратифицированные таким образом семена выходят из состояния покоя и быстро прорастают веемой (Николаева и др., 1985).

Холод необходим не только для прорастания семян, но и для выхода из покоя почек, корневищ и других вегетативных органов растений. При низких положительных температурах идет процесс'яровизации растений. •

Однако, при низких положительных температурах замедляется общий . процесс развития, вследствие которого задерживается старение. В наших опытах с луком батуном растения, выращенные на открытом грунте почти в 2 раза отставали в развитии, чем выращенные под пленочным укрытием с электрообогревом почвы (табл. 4).

Т^олш;;! 4.

Скорость развития лука батуна в зависимости с- теплового режима

Варианты опытов 1У69г. 19,0 г.

Продолжительность вегетации (дни) Продолжительность вегетации (дни)

1. Открытый грунт (холод). 43 4?

2. Пленочное укрытие (тепло). 27 ' 21

3.7 Повышение устойчивости растений к холоду (закаливанк.)

Изученные нами ответные реакции ^астений на действие низких положительных температур, лежащих ниже +5"С, можно рассматривать как-стрессовую реакцию на холод, в результате которой растение приобретает к нему устойчивость - закаливается.

Первая фаза закаливания в наших опытах наблюдается у активнорастуших растений в виде криоиюка - все физиологические процессы как бы замирают. Эта стресс-рсакция вызывается низкими положительными температурами, начиная +4°С. Вторая фаза, как мы подразделяем, состоит из нескольких подгэз пли стадий непрерывно и последовательно протекающего адаптационного ролесса. В подфазе репарации растение оправляется от криошока ч начинается возобновление физиологических функций. Во иторей стресс-синтетической подфазе возобновившиеся после криошока физиологические процессы существенно усиливаются, достигая иногда интенсивности этих процессов при температурах 15°С и 20°С. Эти процессы идут при температурах ни "с +5Т, начиная с +4°С. Об этом свидетельствуют установленные нами в области +4иС резкие переломы хода физиолого-би»химическнх процессов в сторону их усиления. Это указывает на то, что они качественно отличаются от подобных же процессов, протекающих при нормальных температурных условиях. Действительно, в этих условиях идет синтез стресс-белков, гидролиз сложных макромолекул и накопление веществ, выполняющих роль криопротекторов и т.д.

Вторая подфаза длится 20-30"дней и в результате формируются стресс -структуры в мембранах, цитоплазме и ядре и клетка приобретает новую молекулярно-биохимическую стресс-архитектонику, устойчивую к холоду.

Третья подфаза - это собственно состояние приспособления или адаптированное состояние, когда достигнута устойчивость, адекватная силе действующей низкой положительной температуры. При этом надежность системы функционирования растительного организма существенно повышается. В это время физиологические процессы сильно замедляются и рг-тение постепенно переходит в состояние т.н. вынужденного покоя, который в естественных "словиях часто совпадает с физиологическим.

-Л-

4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У РАСТЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЯМИ СТРУКТУРЫ воды

4.1 Состояние воды при низких положительных температурах

Как показывают результаты наших экспериментов и литературные данные, все аномальные процессы начинаются с температуры близкой к +4° С. Это приводит к мысли о том, что причиной указанных явлений может быть высокая плотность воды, наблюдаемая именно при температуре +4°С. Не умаляя вклад наибольшей плотности воды на ход физиологических процессов, все же следует с Гметить, что, по-видимому, причина здесь кроется не только в наибольшей плотности, но и в тех изменениях структуры воды, которые начинаются с температуры +4° С. Дело в том, что между кривой кинетики многих физиологических процессов и кривой изменения плотности воды имеется положительная связь. Нет сомнения в том, что увеличение объема воды при понижении температуры ниже +4° С происходит по другой причине, чем изменения объема при повышении температуре выше этой точки. Другими словами, структуры воды нгже и выше. +4°С не идентичны: при температурах ниже +4°С количество молекулы воды, связанных между собой водородной связью, увеличивается, т.е вода становится льдоподобной, а выше, наоборот, происходит раСрыв водородных связей между молекулами воды и количество плотноупакованной воды увеличивается. ,

Анализ современных моделей структуры воды, в частности, двухструктурной, позволяет прьЛти к заключению, что вода, начиная с +4°С и до 0°С, имеет квазикргсталическую - льдоподобную структуру. .

4.2. Опосредованность действия холода на физиологические процессы через изменения состояния воды

Биологические ткани на 70-90% состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отражать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени молекул растворителя - воды. Подобного рода соображения, в разные годы высказанные такими крупными учеными как А.Сент-Дьерди, Л.Полинг, И.Клотц и другими, имеет веское основание. Очевидно, что все аномальные .. процессы в жизнедеятельности растений при температуре +4° С и ниже лежащих температурах связаны с льдоподобной водой.

Две структуры в воде - льдоподобная и плотноупакованная - резко отличаются по структурным и энергетическим показателям. Так, для льдоподобной структуры энергия, энтропия, плотность, межмолекулярное расстояние и координационное число меньше, чем для плотноупакованной (Бирштейн, 1966; Вдовенко, Гуриков, Легин, 1966 и др.). .

• Отличаясь практически по всем параметрам, льдоподобная ' и плотноупакованная формы воды, очеЬидно, обладают и различной физиологической активностью. Согласно взглядам Л.Полинга (Pauling, 1961, 1964), Шейнера (Sheiner,l964), Майстраха (1971), Миллера (Miller,1961), Голдовского (1981,1986), экспериментальных исследований А.Сидоровой (1978) и др, льдоподобная вода замедляет физиологические процессы. Другими словами, льдоподобная вода менее активна, чем плотноупакованная и, по-видимому, ответственна за гидролитические процессы.

-го-

В таком случае, о растительном организме для его нормального функционирования должно быть определенное соотношение плотноупаконпнной и льдоподобной воды.

Такое соотношение возникает при оптимальных температурных условиях вегетации растений. А при более высоких или низких температурах, чем оптимальной, это соотношение нарушается. Таким образом, справедливо следующее соотношение:

плотноупакопаиная синтетические

Температура -г -- вода -* - прочее л

льдолодобнзя гидролитические

ассимиляция

■ —•— --- -► Рост и рачьитие

диссимиляция

Как видно из этого соотношения, по мере снижения температуры, количество льдоподобной воды будет увеличиваться, а гидролитические - усилив; гься. А при температурах, начиная с +4° С и ниже, когда вод-» имеет, в основном, пьдоподобную структуру, синтетические процессы будут практически приостановлены - условия существования для растений становятся особо неблагоприятными и у них развивается стресс - реакция.

Из вышесказан.юго можно сделать 2 заключения:

1. Низкие положительные температуры, начиная с +4°С, являются Холодовыми стрессорами.

2. Причиной стрессорных реакций растений в указг :ных условиях является изменение структурного состояния воды - ее высокая льдоподооность. вызванная холодом.

Таким образом, температура +4°С является той уникально низкой положительной температурой, при которой происходят качественные изменения обмена веществ у растений.

П.Хочачка и Дж.Сомеро (1988), рассматривая биохимическую адаптацию клетки, выделили 2 основных класса температурных эффектов. Во-первых, прямое влияние температуры на скорость химических реакций обмена веществ, которые, согласно законам термодинамики, должны зависеть от средней кинетической энергии атомов и молекул. . Во-вторых, косвенное влияние температуры посредством изменения биохимических структур, представляющих собой надмолекулярные образования, поддерживаемые т.н. слабыми связями или слабыми взаимодействиями (сила Ван-дер-Ваальса, водородные, ионнле связи, гидрофобные взаимодействия).

На основании всех вышеприведенных в диссертации материалов мы можем добавить еще 3-й класс температурного эффекта - это влияние температуры на . обменные процессы у растений да и у других организмов, посредством изменения структурного состоя :ия воды, что в очень сильной степени проявляется при низких положительных и отрицательных температурах (рис. 14.). '

Температура

плотмоуиакованная

льдопозобиая

синтстическмс ,

процессы

гидролитические

ассимиляция

диссимиляция

ускорение

Роста и развития

■замедление

состояние растительного орщшпма

И | Температура

состояние воды

Рис.14. Опосредованность действия температуры нг-растительный организм через изменение состояния воды

Как нами показано, небла! оприятное действие . низкой температуры начинается с +4°С, а не с О' С. т.е. холод, в смысле сгуо-, начинается с +4°С, когда в воде происходят существенные структурные изменения. Связанное с температурой понятие холод, таким образом, имеет биологическую сущность. В симом деле, ни один объект природы, содержащий в своем составе воду, не * реагирует на изменение состояния воды так кардинально, так существенно, как живая материя. Ни один объект природы, содержащий и не содержащий в составе воду, кроме живого, не чувствует холода.

4.3. Эволюционное содержание понятия "холод"

• Понятие "холод", имея биологическую сущность, включает эволюционное содержанке. Если "тепло" было с начала появления жизни и это понятие, между прочим, имеет также биологическую сущность, то понятие "холод" появилось позже - с похолоданием климата Земли, когда стало возможным превращение плотноупакованной воды, содержащейся во внешней среде и внутри живых организмов, в кристаллическую форму. По-видимому, эволюция растений шла не только по линии мезофиюгенеза, как ^го принято считать, но и в равной степени по линии приспособления к льдоподобной форме воды. Следует отметить, что дьдоподобная вса в растениях может увеличиваться и при оптимальных температурах 1 во время засухи.1 Эту линию мы предлагаем назвать айсофитогенезом(отанглийского айс-лед) (рис.15.)."

Растения, присло-соблснные только к плотно упакованной воде, так называемые айсофобы

Растения, использующие плотноупакованную и _ .пьдоподобиую форму воды, так называемые акврайсо<Ьобы

Гипотетические растения. использующие ro.ii.K4> льдоподоб-н>м иоду,так паемыс апсофилы

Растения резистентные ко льду

Или:

Рис. 15. Последовательность эволюции холодоустойчивости и засухоустойчивости у растений в связи с адаптацией к избыточному количеству в воде се льдодобной фермы

Современный растительный мчр по типу водообмена можно разделить на следующие группы:

1. Аквофильные растения (теплолюбивые) - растения, использующие только плотноупакованную форму воды. ЛьдоподоСная форма для них недоступна. Эволюционно это наиболее древний, первичный тип водообмена, К аквофильным растениям относятся растения влажных тропиков и культурные растения тропического происхождения. Нижней границей их жизни является температура близкая к 4аС - температура, при которой в в^де исчезла плотноупакованная вода, т.е. холод.

2. Аквоайсофильные растения (холодоустойчивые) - для активных физиологических процессов используют плотноупакованную форму, воды. В определенные периоды жизни им доступна льдоподобная вода, Эволюционно это новый, более совершенный и пластичный тип водообмена К этой группе относится большинство растгний умеренных и высоких широт, а также некоторые растения суЛгропиков. Они могут жить до ДОС и ниже, но активная жизнедеятельность прекращается при температурах ниже +4° С. Таким образом, холод (+4»С и ниже) неблагоприятен не только для теплолюбов, но и

холодоустойчивых растений. По все же перестройка водообмена, сообразно климатическим условиям различных зон Земли, способствовала завоеванию акпоаисофмльнымн растениями даже самых суровых районов суши, где вода в течение года только на очень короткий срок может иметь частично плотноупакованную воду. '

4.4. Криокомплекс систем жизнеобеспечения у растений

Использование льдоподобной формы воды, очевидно, потребовало соответствующих изменений в обмене веществ у растений, ро всяком случае, тех процессов, которые так или иначе связаны в споем завершении с молекулами воды. А ь растительном организме почти все системы имеют отношение к воде.

В условиях теплого климата у древних растений, очевидно, был теплолюбивым комплекс систем жизнеобеспечения и синтеза. Эту древнюю систему назовем архикомплексом систем. Архикомплекс систем является айсофобным п сохраняет свою функциональную активность до +4°С - ниже уже инактивируется.

Нижней температурной границей жизнсдеятсятельности ; современных истинных зхплол'^бов считается +4°С. Это указывает на то, что архикомплекс ciQtcm жизнеобеспечения и синтеза у современных теплолюбивых растений сохранился без изменения. j "

Холодоустойчивые растения в период активного роста проявляют свойства теплолюбов, г.е. у них в jго время работает только архнкомплекс систем жизнеобеспечения и синтеза. Однако у них, в отличие от теплолюбивых растений, в ходе эволюции образовался, дополнительно к существующему архикомплексу, совершенно новый криокомплекс систем жизнеобеспечения, имеющий сродство к льдоподобной воде и потому работоспособный в холоде.

Криокомплекс сжтем жизнеобеспечения формируется, очевидно, в процессе стресс-реакции растения на холод, т.е. при низких положительных температурах, гачиная с+4°С.

В пользу нашего представления о наличии у холодоустойчивых растений криокомллекса систем жизнеобеспечения и синтеза можно привести накопившиеся в последнее время факты появления в период холодового закаливания растений так называемых стресс-белков новых изоформ ферментов, работоспособных в холоде (Войников, Корытов, 1991; Кузнецов, 1992; Алексеев,'1994; Makuren, Stegemann, 198'; Patterson et al., 1984; Abromet et ai„ 1992; Kacperska, 1994идр.).

По-видимому, о теплолюбивом архикомплексе и холодоустойчивом кр..окомплексе систем жизнеобеспечения и синтеза у растений можно говорить как о комплексах изосистем работающих при различных температурах. Вероятно, первый изокомплекс (архикомплекс) систем может функционировать только при оптимальных для роста и развития температурных условиях, а второй (криокомплекс) - только в холоде, т.е. при пониженных температурах, начиная с + 43С. ' ■

~2Ч

5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ А СЛЕКТЫ НИЗКИХ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРА ТУР

, 5.1. Экологические аспекты холода

В настоящее время считается, что активный рост большинства с/х культур, а также видов растении дикой природы начинается при температурах выше + 5° С. В агрометеорологии широко используется такое пониятие кал сумма эффективных температур - сумма разностей между среднесуточной температурой »» свойственным данному растению значением нижнего предела температуры, когда начинается заметное развитие растений. За нижний предел разам шя зерновых, продовоягодных и других культур умеренной зоны чаще принимают + 5" С. Такой подсчет суммы эффективных температур практически оправдан, так как основан на данных долголетних наблюдений не одного поколения специалистов и практиков сельского хозяйства. Однако температура + 5° С как точка отсчета начала активных температур принята автоматически в силу привычки измерять все подряд с интервалом в 5 - 0° С, 5° С, 15° С, 20° С ... 30° С и т.д. В самом деле, как нами доказано в работе, такой точкой отсчеа молет быть ппннята температура + 4° С, так как эта температура лех.ит на границе тепла и холода. В тепле, естественно, идет активный рост, а в холоде • спсрва адаптация к пей, а затем покой. Именно при низких положительных температурах у растений формируется устойчивость к низким отрицательны" температурам. Это исключительно важно для выживания растений северных ойрот и умеренной зоны. При этих температурах происходит также естественная стратификация семян, яровизация, холодовое закаливание, без которых нормальное развитие растений невозможно.

С экологической точки зрения немаловажное значение имен с ночные похолодания без заморозков, когда температура воздуха опускается ниже + 4° С, но не переходит через 0° С. Такие понижения температ ры, наблюдающиеся в весенне-летний и летне-осенний периоды, когда растения находятся в активном росте, являются сильнчми стрессорами. Изменение структуры воды (резкое увеличение льдоподобности) в этих условиях приводит к криозасухе - растение испытывает острый недостаток воды при полном насыщении органов влагой. Недлительные и нечастые криоэасу | могут стимулировать ростовые процессы. Однако длительная криозасуха приводит к хриошоку и растение выходит из этого состояния болезненно, что может отразиться на дальнейшем росте и развитии, а для сельскохозяйственных культур - Ни урожае.

Мы говорим о действии холода на надземную часть растения. Однако, а условиях многолетней мерзлоты, которая занимает обширную территорию суши, к действию пониженных температур подвергается и всД корневая система растений.

В районе г.Якутска многолетняя, мерзлота оттаивает до 2,5 - 2,7 м, температура почви в зоне оттаивания равна 0° С, а на глубине 20 м килебптся от -5,6 до 0Д° С (Фельдман, Тетельбаум и др., 1938). Таким образом с оттаивакл гго слоя почвы до ее поверхности образуется градиент температуры от 0°С до 2025° С. Холодная почва, как известно, обладает физиологической сухостью и еще является физиологически ' бедной, для устранения которой для сельскохозяйственных культур были предложены увеличенные, так называемые, "северные дозы" минеральных удобрений (Коровин, 1984).

В связи с физиологической сухостью и физиологической бедностью почв в зоне многолетней мерзлоты корни растений расположены поверхностно. Это особо ярко выражено для древесных растений (Дохунаев, 1988). Распространение теневыносливых растений в зоне многолетней мерзлоты привело бы к увеличению мощности мерзлого слоя вследствие уменьшения глубины оттаивяния данной

почвы. В результате естественного отбора на светолюбивость, например, растения Якутии исключительно светолюбивы и все фитоценозы имеют низкое проективное покрытие и низкую сомкнутость древостоя.

Неблагоприятные температурные условия почвы препятствуют раннему прорастанию семян. Поздно проросшие семена (в конце июля-августа) к концу вегетативного периода да,от как обычно неокрепшие побеги, которые не ■ выдерживают условия суровой зимы. Вот поэтому, хотя растения крио.штозоны полностью проходят цикл развития и дают нормальные плоды и семена, размножение растений в естественных фитоценозах происходит преимущественно вегетативным путем. Небольшая жизненная емкость холодной почвы многолетней мерзлоты, холодный воздух, действуя как неблагоприятный фактор замедляют рост растений, по в то же время ускоряют их развитие. Благодаря этому растения Севера успевают за очень короткий вегетационный период пройти весь цикл развития. Имеются и другие особенности приспособления северных растений к холодному климату. Хотя неблагоприятные условия и ускоряют развитие, не все однолетние растения мо!ут дать плоды и семена. Поэтому, в процессе эволюции и естественного отбора сохранились, в основном. многолетники. Из найденных на территории ■ Якутии высших сосудистых растений (около ' 1700 видов), если не учесть заносных и некоторые.- .1 .стных (пастушья сумка, шетишшк зеленый, ярутка полевая, клоповник, горец птичий, горем вьюнковыйдонтост-мон гребенчатый и др.) *>астсшш, то "ольшинство - многолетники (Определитель высших растений Якутии, 1974). Во флоре Якутии также много растений, в основном, кустарнички с вечнозелеными листьями (багульник, Кассандра, андфомера, толокнянка, брусника, чхи и др.), что им д:'ет возможность удлинить вегетационный период за счет начала ранней фотосинтстической деятельности листьев. •

Тег.ерь кратко рассмотрим экологическое значение температуры +4°С в природных условиях. \

Особое значение эта температура имеет для водных организмов/Давно известно, что вода имеет при +4°С наибольшую плотность и соответственно наибольшую массу. Когда осенью поверхностный слой воды охлаждается до температуры +4° С, он опускается на дно реки или озера. А наверху из "легкой воды", охлажденной до 0°С, постепенно образуется лед, который прикрывает воду от мороза. При этом на дне глубокого водоема в любой период зимы температура: воды в озерах не охлаждается ниже+4°С (Титова и др., 1966).

В глубоководных озерах слой воды с температурой +4° С сохраняется летом очень долго и даже постоянно в течение всего года.

Таким образом, температура водь: на дне водоема держится на границе тепла и холода и, очезидно, является идеальным местом для переживания организмами неблагоприятных условий среды, такие неблагоприятные условия в зимнее время создаются особенно в стоячих водоемах в связи с недостатком кислорода и пищи. Недостаток света, измеь.ние его спектрального состава также влияют на жизнедеятельность растительных организмов водоемов. Однако для переживания ' неблагоприятного времени года природа сама создала для них идеальные условия под водой, где температур • +4° С, при которой процессы жизнедеятельности могут протекать с минимальной интенсивностью. Ведь водные' растения относятся к холодоустойчивым, но не морозоустойчивым и у них физиологические процессы . протекают по тип^ как у клубней картофеля,, с минимумом в области +4° С. Установленным считается факт изменения типа дыхания у водных растений при пониженных температурах, близких к+4° С(Рощин, 1966).

В пресноводных водоемах обитает значительное количество видов высших растений - такие как рдестовые, наядовые, хвостниковые, саядовые, хвостникозые, сладкоягодниковые и др. Известно также, что виды рясок, вегетировав в течение

лета над водой, осенью опускаются на дно водоема и перезимовывают там. Массово произрастающая в водоемах окрестностей г.Якутска ряска малая (Lemma minor L.) по нашим наблюдениям, опускается на дно oic.ia в середине сентября, эгда средняя суточная температура воздуха переходит через тс пературу +4°С и всплывает на поверхность в третьей декаде мая. Таким образом, ома находится под водой, при температуре близкой к +4° С, в течение семи месяцев в году.

Зимой в водоемах Якутии водоросли находятся в состоянии анаксибиоза, т.е. пассивного переживания неблагоприятных условий. Представители различных групп водорослей в водоемах перезимовывают по разному: в виде спор (Лнабена, Афонизомена и некоторые Десмидисвыс), пист (Дпнобрион и Шрофитоныс), вегетативных клеток (все Дгатомовые, некоторые Зеленые) и в виде колоний (Микроцистис, Глеокапса, Сценедесмус и др.).

Наиболее оптимальным температурным условием их переживания является +4°С, о чем свидетельствует максимальная концентрация зимующего бнофонда, наблюдающаяся на больших глубинах, где температура близка к +4*С. При этом основная масса планктонных водорослей опускается на дно >зср и перезимовывают В комплексе с бонтосными (Васильева, 1496).

О подавляющем влиянии температурь! +40 С водоема на жизнедеятельность водных организмов можно судить по содержанию растворенного кислорода, поскольку образование кислорода и его окисление, если не учитывал известных условий растворения кислорода в воде, в основном зависят от деятельности растительных и животных организмов, заселяющих данный водоем.

В озере субальпийского типа, примерно начиная с глубины 50 м, температура воды постоянна и равняется +4° С. Кривая содержания кислорода в Boi£, начиная с 50-метровой глубины, практически не меняется, что, очевидно, указывает на низкий уровень образования и окисления кислорода, т.е. все бис огичсские процессы, идущие с поглощением и выделением кислорода, в указанных условиях резко снижены и область водоема с такой температурой заселена слабо (Липин, 1941). Не случайно температура тела зимослящих животных близка к тсмпературе "дна озера", т.е. к +4°С 'Бибиков, 1979; Калабухов, 1985; Соломонов и др., 19S3; и Др.). '

Таким образом, низкие положительные температуры как экологический фактор действуют на растения разносторонне. Среди всех низких положительных температур температура дна пресноводного водоема - +4®С, где вода имеет наибольшую плотность, по своей экологической значимости стоит особняком.

5.2. Прикладное значение низких положительных температур

Люди издавна использовали холод при хранении продуктов сельского хозяйства. Наиболее эффективными для хранения продуктов были околочулевые низкие положительные температуры. В свете полученных нами результатов исследований в настоящее время можно рекомендовать хранение плодов, овощей и картофеля при температурах ниже +4° С, или ближе к ней, но не выше этой границы тепла и холода. В наших опытах, длившихся евь'ше 400 дней при температурах ниже +4» С клубни не прорастали (табл. 5)

Таблица 5

Влияние температуры хранения на прорастание клубней картофеля (Прмскульский ранний)

Температура хранения (в°С) _ Август 1993г. Октябрь 1994г.

проростки проростки

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 появились кончики проростков

Хотя это технически тр' ано, но самой оптимальной температурой для хранения картофеля, многих овошей и фруктов, по-видимому, является температура +4°С - температура "дна озера". Издавна на Руси на дне озера хр£?шли засоленные и другим способом консервированные овощи, которые до весны сохранялись великолепно. Эта температура также наиболее оптимальна для выделения и хранения биологических и медицинских препаратов.

Образующиеся при ■ закаливании растений низкими положительными температурами вещества являются защитными веществами и криопротекторы при большой концентрации могут подавлять физиологические процессы, а при малой, наоборот, стимулировать. Такие вещества могут образоваться > и в: тканях животных организмов, в частности, у зимоспящих.

На этом принципе нами изготовлен тканевый препарат АКГ1У, полученный из тканей животного организма, подвергшегося естественному закаливанию низкими положительными температурами. На этот препарат получено удостоверение на рацпредложение. Дело в том, что тканевый препарат из растений так же обладает таким стимулирующим эффектом, но в гораздо меньшей степени, чем из животных.

Препарат АКПУ после 3-х летнего испытания в 3-х хозяйствах Верхневилюйского улуса РС (Я) был разрешен Ветеринарным управлением! РС(Я)| к изготовлению и применению и животноводстве на территории Республики Саха. Применение этого препарата дает в среднем на 25-30% больше привеса у молодняка в нагульный период (3 месяца), чем у молодняка не получившего этот . препарат.

Обработка семян раствором тканевого препарата, изготовленного из растений, повышает энергию прорастания и всхожести семян и может быть использована на практике наряду с имеющимися стимуляторами роста и микроэлементами. .

Низкие положительные температуры^ особенно в весенний период, задерживают посадку овощей. В суровых условия« Севера, в частности, в Якутии, выращивание огурцов, томатов, сладкого перца и др. стало возможным и рентабельным благодаря пленочным теплицам. Внедрение в практику этого, ныне привычного материал.- в Якутии, было начато уже в 60-х годах усилиями энтузиастов из Тимирязевской сельскохозяйственной академии Г.К.Таракановым и Ю.С.Кудряшовым (Тараканов, Кудряшов, 1961; Кудряшов, 1968).

Результаты проведенных ими исследований углубляют имеющиеся знания о низких положительных температурах, о холоде и о механизме действия холода "Л физиологические процессы у растеши« и т.д. Эти новые знания могут творчески римеисиы к разработке новых способов рациона.".!.ною нсп< •ьзонания низких положительных температур я ра пнчных отраслях народного хозяйства.

выводи

1.При низких положительных температурах физиологические процессы у растений существенно меняют свои обычный ход, особенно по достижении температуры +4°С, при которой вода имеет наибольшую плотность.

2. Реакция растений на действие низких положительных температур, начиная с +4" С и ниже, зависит от физиологического состояния, а лчеыю ог того, находятся ли растения в активно растущем состоянии, в состоянии адаптации к холоду (в периода закаливания), или же в' состоянии неспе! 'фической устойчивости к неблагоприятным факторам среды. Наиболее сильно реагируют на действие низких положшельных температур активно растущие и еще не адаптированные к холоду, находящиеся в период закаливания, растения.

3. При охлаждении замедления физиологических процессов у активно растущих теплолюбивых и холодоустойчивых растений идет плавно до +5°С, и при дальнейшем снижении температуры, начиная с +4^С, происходит резкое торможение все* функций растительного организма (крио.-.о* >.

4. У находящихся в период адаптации к холоду устойчивых к нему растений, наоборот, при +4°С наблюдается вспышка физиологических процессов или, начиная с +4° С, интенсивность этих процессов повышается по мере их дальнейшего охлаждения. У сп;юлюбивых растений такое повышение интенсивности физиологических процессов не наблюдается.

5. Выявленные факты показывают, что физиологические процессы у активно растущих и находящихся в состоянии адаптации к холоду растений г.ри температурах +4° С и ниже не подчиняются правилу Вант-Гоффа (С) ш), что может иметь методологическое значение при проведении физиологических экспериментов.

6. Температура +4» С и ниже являются стрессорными низкими положительными температурами или собственно холодными. Наблюдаемый нетипичный ход физиолого-биохимнческах процессов в этих условиях является результатом стресс-реакции растений на холод. Актирно-растущие растения реагируют на действие холода крпошОком, который соответствует 1-й фазе стрессовой реакции. Холодоустойчивые растения, находящиеся в фа— адаптации (в периоде закаливания) реагируют на это действие усилением интенсивности физиолого-био^имических процессов, во время которых происходит стресс-синтез специфически^ вгществ. Из этих веществ в растениях формируется стресс-структура с криорезистентнон архитектоникой.

7. Ответная стресс-реакция растений на охлаждение обусловлена не только непосредственным влиянием • низкой температуры как таковой на ход физиологических и биохимических процессов, но в значительной степени, зависит также от изменения '•войств воды при охлаждении. Поскольку вода является не только внутренней средой всех клеток и тканей растений и все физиологические процессы протекают именно в водной среде, но и метаболитом и непосредственным компонентом биохимических процессов, такое изменение свойств воды не может не отразиться на ходе физиологичесхих процессов при охлаждении. Следовательно, непосредственное действие охлаждения как такового на жизнедеятельность растений ■ опосредовано, через изменение свойств волы.

Первое и второе, по-видимому, тесно взаимосвязаны и их разграничение весьма

затруднительно.

к Температура +4°С имеет очень важное экологическое и биологическое значение: в природных условиях, например, дно пресноводного водоема, где температура зимой близка к -Ь4°С, является прекрасным местом для переживания растений и водных организмов 1 неблагоприятного периода года. Холодовое закаливание в предзимний период, яровизация растений, естественная стратификация семян и др. лучше протекают при температурах, близких к +4°С.

9 Ьлагодиря особой структуре воды. ; температура +4°С является оптимальной для хранения многих продуктов полеводства, садоводства и »■онсервированных изделий, а также биологических и медицинских препаратов.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ. .

ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ,

I. Монографии и препринты

1. Угаров Г.С. Особенности физиологических процессов у opiamiiMoa при ■ низких положительных температурах. Препринт. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 1979. -

34 с. ■ .

2. Угаров Г.С. Эколого-фиэиологпческие аспекты адаптации организмов к низким положительным температурам. Монография - Якутск: Якутское кн. изд-во, 1988. - 205 с.

3. Угаров Г.С. Протокриобиологня как р.пдел криобиологии. Преприн г. -Якутск: Мзд-р. ЯФ СО АН СССР, I9SS. - С. 33.

4. Угаров Г.С. Кыллтчанов А.П. Хранение картофеля з условиях Севера. Якутск. Якутский ЦНТИ, I9S6.-38 с

11. Редактирование и составление .

1. Особенности физиологических процессов у растений при низких положительных и отрицательных температурах: Межвузовский сборник научных работ. Редколлегия: Г.С.Угаров (руководитель), П.А.Тимофеев, М.И.Мярикянов. -Якутск: Изд-во ЯГУ, 1980. - 104 с.

2. Оймякон - полюс холода. Составитель Г.С.Угаров - Якутск: Якутское кн. изд-во, 1982.- 151 с.

3. Протокриобиологические процессы у организмов: Межведомственный сборник научных трудов. Вып. 1. Редактор Г.С.Угаров. - Якутск: Изд-во ЯГУ. 1990.- 181 с.

4. Протокриобиологические процессы у организмов: Межведомственный сбсзкик научных трудов. Вып. 2. Редактор Г.С.Угаров. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 1996. - 126 с.

III. Научные статьи

5 Угаров Г.С. К вопросу о физиологической сухости холодных почв // Почвы мерзлотной области. - Якутск: Якутское кн. изд-во,' 1969. - 135 с.

6. Угаров Г.С. К вопросу о причинах гибели теплолюбивых растений при пониженных положительных температурах II Некоторые вопросы биохимии, физиологии, генетики животных и растений. - Якутск, 1970.'- С. 69-70.

7. Угаров Г.С. О физиологической активности льдоподобной воды // О физиолого-биохимических проблемам Севера. - Якутск, 1971. - С. 6-9.

-iLI-

8. Угаров P.C. О причине скачков физиологических процессов гри пониженных положительных температурах // Почвенные и ботанические исследования в Якутии: Якутское кн. и >д-во. 1972. - С. ISO - IM.

9. Угаров Г.С. Водный режим растений при неб кн оп; мятных условиях существования // Бполо:ичсские и медицинские проблемы Севера. - Якутск: Им-во я'фСОАНСССР, 1972.-С. 85-S6.

10. Угаров Г.С. Физиодого-бнохимические особенности раннего лука-Сатуна в связи с его водным режимов: Автореф. дис. канд. биол. наук. - Казань, 1972. -32 с.

11. Угаров Г.С. Влияние пленочного укрытия ч электроподогрева почвы на содержание аскорбиновой кислоты в листьях л>ка-бат)на • // Физиолого-биохимическис исследования в Якутии. - Якутск: Изд-ьо ЯФ СО ЛИ СССГ', 1974. -С. 98-106.

12. Угаров Г.С. Влияние низких положительных температур на динамику биопотенциалов у растений II БНТИ Ин-та биологии ЯФ СО All СССР. Биологические проблемы Севера. - Якутск: Изд-во ЯФ СО ЛИ СССР. 1975. - С. !0-12.

13. Угаров Г.С. Водный режим пшеницы "Восток" при низких положительных темперапрах // Интродукция р. ленчи в Центральной Якутии. -Якутск: Нзл-во ЯФ СО All СССР. 1975.-С. 126-133.

14. Угаров Г.С. Транспираш'я растений при низких положительных температурах // Эколого-биологпческие исследования организмов высоких широт. Якутск: Ии-воЯФСО АНСССР, 1976.-С. 111-U4

15. Угаров Г.С. О токсичности талых растворов // Материалы VII Всесоюзною симпозиума "Биологические проблемы Севера". С.кция ФиБ растений. - Петрозаводск, 1976. - С. ISS-1S9.

16. Угаров Г.С. Особенности поглощения талой воды семенами растений И Физиологические и биохимические основы адаптации растений к условиям Севера Якутии. Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1976. С. S4-S6.

17. Угаров Г.С. Влияние закалив!, ия на динамику биопотенциалов у растений II Тезисы докладов Всесоюзной' конференции' по биофизике сельскохозяйственных растений. - Кишинев, 1977. С. 80-91.

18. Угаров Г.С. Растительность Оймяконского района Ii Оймякон - полюс холода. - Якутск: Якутское кн. изд-во 1982. - С. 60-67.

19. Угаров Г.С. Реакция растений на действие пониженной температуры // Материалы симпозиума по биологическим проблемам Севера. - Магадан, 1983. -С. 129.

20. Угаров Г.С. Предисловие II Протокриобиологические процессы у организмов. Межведомств, сб. научных трудов. Вып. 1. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 190. -С. 3-5.

21. Угаров Г.С. Протокриобиология как направление в науке // Протокриобиологические процессы у организмов. Вып.'1. Межведомств, сб. научных трудов. Вып. I. -Якутск: Изд-во ЯГУ, 190.-С. 5-13.

22. Угаров Г.С. Водный режим растений при п<~'шженных температурах И Сб. тезисов докл. Всесоюзн. конф. физиологов растений. - Минск, 1990. - С. 195.

23. Угаров Г.С. Холод и вода в живых организмах Н Тез. докладов 1 Междунар. конф. "Знание - на службу народам Севера". Якутск: 1996. - С. 53.

24. Угаров Г.С. Предисловие . II Протокриобиологические процессы у организмов. Межведомств, сб. науч. трудов. - Вып. 2. Якутск: Изл-no ЯГУ, 1995. -С. 3-5.

25. Угаро- Г.С. Реакция растений на действие холода. Предисловие // Протокриобиологические процессы у организмов. Межведомств, сб. науч. трудов. - Вып. 2. Якутск: Изд-во ЯГУ, 1996. - С. 4-7.

26. Угаров Г.С., Н икитии Г.П. Получение раннего л\ка-батуна в Якутии //Физиочого-бнохимичсские проблемы Севера. - Якутск, 1971. - С. 4S-49.

» 27. Угарои Г.С., Николаев И.Н. Динамика сверхслабого свечения и биопотенциалов у теплолюбивых раепчшй при низких положительных температурах // БН ГИ Пи-га биологии ЯФ СО АН СССР. Биологические проблемы Севера. - Якутск: Изд-во ЯО СО АН СССР. 1979. - С. 10-11.

28. Угаров Г.С., Николаева Л.Н. Фотохимическая активность (полированных хлоропллстов при низких положительных температурах // Особенности физиологических процессов у рас гении при низких положительных и отрицательных т.-мперагурдх: Межвузовский сборник. - Якутск: Изд-во ЯГУ, I9S0. -С. 84-97.

29. Угароь ' Г.С., Евсеев М.С., ЬСылатчанов А.П.Уетойчивость клубней картофеля к низким положительным температурам // Тезисы Всесоюзной конференции "Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений". - Иркутск, 1984. - С. 16 - 17. ,

30. Угаров Г.С., l-.iicccB М.С.,' Кылатчанов А.П. Натурные исследования микроклимата в картофелехранилищах // Инженерные задачи пеншляции и теплоснаижения на Севере. Тематический сборник. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 1987. -С. 28-35.

31.Ugarov G.S. The cold and wa'.er in Alive Organises // 1 International Conference (25-29i.i of June, 1996. Yakutsk): Summaries of papers. - Yakutsk,, 1596,

, p. 53.

32. Ugarov G.S. Photocrvobiology // И 1 International Conference (2l-25th of April, ¡992, K' arkov): \bstracis,-Kharkov,, 1992, p. 193.

IV. Рацпредложения и рекомендации

1. Удостоверение на рационализаторское предложение № 193 от 28 июня 1993г. чыдано Угарову. Гавриилу Спиридоновичу Якутским государственным университетом на рацпредложение - под наименованием ''Препарат АКПУ (тканевый) для ростостимуляции и лечения сельскохозяйственных животных".

. Руководитель организации a.m.Ишков.

2. Разрешение Управления ветеринарии с Госвегинспекцией при МСХ Республики Саха № 1 от 13 декабря 1993 г. выдано Угарову Гавриилу Спиридоновичу на право изготовления и применения созданного им препарата АКПУ в животноводстве на территории Республики Саха (Якутия}. Разрешение продлено до 1 января 2000 года Постановлением Совета ветеринарии Республики Саха (Якутия) от 13 декабря 1996г. .

Утверждено Главным государственным ветеринарным инспектором Регпублики Саха (Якутия)Т.Д.Каратаеаой.

3. Удостоверение на рационализаторское предложение № 197 от 22 декабря 1993 г. выдано Угарову Гавриилу Спиридоновичу Якутским Государственным Университетом на рацпредложение под наименованием "Прибор для определения поглощения воаы растительными тканями" и принято к использованию.

Руководитель орга..изации_А.М. Ишков.

4. Рекомендация по термическому режиму хранения клубней картофеля в овощехранилищах г. Якутска. // Хранение картофеля в условиях Севера. Якутск, Якутский ЦНТИ, 1986. - 38 с.

5. Угаров Г. С., Кылатчанов А.П., Евсеев М.С. Теплофизические и биологические основы хранения картофеля в условиях Севера. Научный отчет. Per. № 028500601159. Я.утск: ЯГУ, 1984 - 149 с.

-¿г-

Обь м J п i

Заказ S73

Тиртж 100

Типография Издатс1ьо"ва VU ХА 127"ô0 \\осква II Ï30 Тгмирязсзская vi 44