Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Поиск методических подходов к оценке активности корней генотипов пшеницы в связи с их продуктивностью и засухоустойчивостью

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Душехватов, Сергей Викторович, Саратов

Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова

Душехватов Сергей Викторович

ПОИСК МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ АКТИВНОСТИ КОРНЕЙ ГЕНОТИПОВ ПШЕНИЦЫ в СВЯЗИ С ИХ ПРОДУКТИВНОСТЬЮ и ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ.

03.00.12 - физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

УДК 581.13

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор, В.А.Кумаков, кандидат сельскохозяйст венных наук, профессор Перетятко А.И.

САРАТОВ 1999

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

I. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................7

1.1 Методы исследования поглотительной активности корней________7

1.1.1. Метод сбора пасоки......................................................................7

1.1.2. Обменная емкость корня и поглощение ионов........................9

1.1.3. Поглощение ионов из раствора..................................................12

1.2. Кинетика поглощения ионов............................................................14

1.2.1. Кинетика поглощения калия........................................................15

1.2.2. Кинетика поглощения нитрата.. .........................................19

1.3. Взаимодействие побега и корня при поглощении и восстановлении нитратов. Калиевый шунт........................................................25

1.4. Гипотезы о соотношении роста корней и надземной части.. 27

1.5. Генотипические различия в поглощении ионов..........................30

1.6. Влияние осмотического фактора на поглощение и утилизацию элементов питания..............................................................................35

1.7. Методические вопросы оценки нетто-поглощения К и Шз проростками..................................................................................................41

II. МЕТОДИКА................................................................................................49

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ..........................................54

III. Факторы, влияющие на нето-поглощение К+ и Шз~..................54

IV. Действие осмотического стресса на нетто-потоки К+ и Шз~

в корнях проростков пшеницы..................................................................80

V. Сортовая специфика поглощения К+ и Шз~..................................95

VI. Сортовые особенности реакции поглотительных систем К+ и

Шз~ на осмотический стресс и в репарации после стресса..........118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................139

ВЫВОДЫ............................................................................................................134

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................161

Список принятых сокращений.

ВСП - высокосолевые проростки

ИПР - искусственный почвенный раствор

НСП - низкосолевые проростки

МНЧ - масса надземной части

МК - масса корней

НЧ - надземная часть

ПЭГ - полиэтиденгликалъ

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость использования физиологических признаков в селекции различных сельскохозяйственных растений очевидна (Кумаков, 1985). Без этого невозможно объяснить причины различной продуктивности генотипов и их различные реакции на внешние условия, в том числе на неблагоприятные факторы среды.

Одним из наиболее сложных и менее разработанных направлений физиологии генотипов является оценка деятельности их корневой системы, в частности ее удельной работоспособности. Те немногие, методы, которые используются с этой целью (сбора пасоки, меченых атомов, оценка кислотообразующей способности) имеют свои недостатки и необходимо искать новые подходы к оценке корневой активности.

В процессе работы над моделью сортов яровой пшеницы для условий засушливого Поволжья в лаборатории физиологии растений НЙИСХ Юго-Востока ипользовались практически все имеющиеся немногочисленные методы оценки поглотительной активности корней - метод сбора пасоки (Сабинин, 1925), метод меченых атомов, оценка кислотообразующей способности (Воробьев, 1988). Это позволило, в частности, выявить эволюцию активности корней яровой пшеницы в процессе селекции на Юго-Востоке, связь ее с эколого-географическим происхождением, устойчивостью сортов к засухе и др. (Кумаков, 1985, Шигаев, 1988).

В то же время выявилась необходимость дальнейшего поиска новых методических подходов к оценке активности корнецй и изучение условий их использования применительно к задачам исследования и объектам изучения.

В связи с этим целью данной работы является возможность и целесообразность использования оценки активности корневых систем проростков в водной культуре по нетто-поглощению К+ и Ш3". Установить генотипические различия в поглотительной активности корней, их связь с биологическими особенностями растений и оценить возможность использования активности корней в селекционной работе.

Непосредственные задачи состояли в следующем:

1. Изучить индивидуальную изменчивость параметров нетто-поглощения ионов в зависимости от солевого статуса проростков.

2. Изучить зависимость между изменчивостью нетто-поглощения ионов и изменчивостью внутренних факторов проростков различного солевого статуса.

3. Обосновать условия культивирования проростков, условия проведения экспериментов и физиологические характеристики для ан~ лиза сортовых различий нетто-поглощения ионов.

4. Изучить сортовые различия поглотительной активности корней и выяснить физиологические причины этих различий.

5. Исследовать влияние осмотического стресса на нетто-поглощение ионов.

6. Установить сортовые отличия в нетто-потоках ионов в системе окружающий раствор - корень при осмотическом стрессе.

Основные положения выносимые на защиту: 1. Индивидуальная изменчивость нетто-поглощения ионов различного солевого статуса в факторостатных условиях зависит от концентрации ионов в проростке, массы корней и корнеобеспеченности.

2. Проявление связи между биологическими характеристиками

сортов и параметрами нетто-поглощения ионов зависит от солевого статуса проростков.

3. Для получения более полной информации и избежании ошибки суждения о сортоспецифичности нетто-поглощения ионов следует анализировать саму изменчивость параметров нетто-поглощения ионов при изменении солевого статуса проростков в связи с биологическими особенностями сортов.

4. Сорта контрастные по засухоустойчивости и продолжительности вегетационного периода дифференцируются по неттто-потокам ионов при осмотическом стрессе и после прекращения стрессового воздействия.

Научная новизна работы

В работе впервые проведено комплексное изучение нетто-поглощения калия и нитрата корнями большой группы сортов мягкой пшеницы, различающихся по продолжительности вегетационного периода, высоте стебля, продуктивности и полевой засухоустойчивости. Показана связь ростовых реакций проростков, кинетических параметров нетто- поглощения калия и нитрата с биологическими особенностями сортов в зависимости от солевого статуса проростков. Исследованы сортовые особенности поглотительной реакции корней на осмотический стресс.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 6 глав, заключения, выводов и приложения. Изложена на 171 странице машинописного текста и содержит 11 таблиц, 36 рисунков, 5 приложений. Список цитированной литературы включает 193 источника, из них 96 иностранных авторов.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Методы исследования поглотительной активности корней,

1.1.1. метод обора пасоки.

Одним ие методов изучения физиологической активности корней является учет количества пасоки, выделяемой корневой системой растения через ксилемные сосуды растения после срезания стебля, предложенный впервые Д.А. Сабининым в 1925 году, Этот метод получил широкое распространение и остается основным методическим подходом к изучению радиального транспорта воды и ионов в корнях растений (Вахмистров, 1971).

Пасочный метод широко применялся в исследованиях лаборатории физиологии растений и НИИСХ Юго-Востока (Кумаков, 1985). Было показано, что все селекционные сорта превосходили стародавний местный сорт Полтавку по выносу пасоки благодаря лучшему развитию корневой системы. Однако, пасочный метод не позволил выявить различий в удельной работоспособности корней у сортов одной экологической группы. Вместе с тем, при сравнении сортов различного происхождения и неодинаковых по высоте соломины обнаружились очень большие различия в выходе пасоки в рассчете на растение (Кумаков, 1985). Короткостебельные сорта отличались меньшим выходом пасоки как во влажные годы, так и особенно в засушливые, когда по отношению к Саратовской 29 выход пасоки составлял 30-45%. Но и высокорослые неустойчивые к засухе сорта в острозасушливые годы отличались низким выносом пасоки с одного растения (Кумаков, 1985).

Однако этот метод не позволяет получить истинную картину восходящего транспорта в целом растении, поскольку при срезании надземной части нарушается целостность организма. В результате к лишенным фотосинтезирующих органов корням прекращается приток ас-симилятов 5 собственные его энергетические запасы быстро истощаются, ослабевают поглотительная и транспортная способности корня (Вахмистров, 1973). Надо полагать, что в этих условиях картина транспорта, присущая корню целого растения сильно искажается (Вахмистров, 1981),

Метод характеризуется также невысокой точностью и очень часто в каждый отдельно взятый срок определения различия между сортами незначительны. Выход пасоки характеризует суммарную активность корней, зависящую как от развития корней, так и от их физиологической активности. Последняя, е свою очередь, может зависеть, ео-первых, от анатомо-морфологических особенностей корней, в частности, от удельной общей поверхности и от соотношения между активной поглощающей и общей адсорбирующей поверхностью. Другой фактор - активность в прямом понимании, которая применительно к поглощению воды, очевидно, должна была бы характеризоваться количеством поданной воды (условно-пасоки) на единицу поглощающей поверхности за единицу времени (г/м2/ч). Определить в поле эту величину невозможног т.к. остается неизвестным второй член искомой величины (поверхность). Если предположить, что в нормальных условиях эта величина одинакова у всех сортов, что наиболее вероятно, учитывая единство механизмов поглощения и передвижения воды, то становится очевидным, что учет пасоки характеризует главным образом мощность корневой системы (Кумаков, 1985).

1.1.к. Обменная емкость корня и поглощение ионов.

Корням растений чаще всего приходится иметь дело со скудно разбросанными запасали влаги и минеральных веществ в почве, и успешное осуществление ими своей основной функции поглощения возможно лишь при условии обширного контакта их с почвой. Основными показателями, характеризующими корень как орган поглощения, является общая длина и размеры поглощающей поверхности корней,

Функционально поглотительной частью корня является однослойный, поверхностный ризодермис. Д.Б. Вахмистров (1985) противопоставил основные функции ризодермиса и коры следующим образом: ризодермис - поглощающая часть корня, кора - "метаболический реактор", основное место первичной ассимиляции ионов питательных солей. Соотношение активности поглотительной и метаболической функций корня может меняться в широких пределах в зависимости от условий среды, физиологического состояния поглотительных и ассими-ляторных систем, видовой специфичности и т.д. Д.Б. Вахмистров последовательно проводит мысль о соответствии структуры корня той функциональной нагрузке, которую несет та или иная его часть. Так число плазмодесм как каналов симпластического транспорта ионов из ризодермы в кору пропорционально количеству переносимых элементов питания, объем коры зависит от условий, в которых протекает ассимиляция поглощаемых ионов - большой объем соответствует экстенсивному типу ассимиляции, малый - интенсивному включению ионов в метаболизм.

И.И. Колосов (1962), подразделяя в корне растений рабочую и нерабочую части, считал, что в рабочей части корня поглощенные изЕне вещества передаются внутрь корня к сосудам и в дальнейшем в

надземные органы растения. Сюда относится зона растяжения и зона живых корневых волосков. Нерабочая часть корня, включающая в себя корневой чехлик, меристему и область о опробковевшей коровой паренхимой, адсорбируя питательные вещества, не передает их к сосудам.

В то же время Н.Э. Станков (1964) считает, что у всех однолетних культур вся поверхность корня может поглощать питательные вещества и разделять поверхность корня на рабочую и нерабочую нет никаких оснований.

Однако эту точку зрения, по-видимому, можно распространить только на растения с мочковатой корневой системой (Сытник и др., 1972).

На большом наборе сортов яровой пшеницы было показано (Горбунов, 1973), что удельная поверхность корней, так же как и соотношение между общей адсорбирующей и поглотительной поверхностью у всех сортов одинаковы. Так что, по-крайней мере, при изучении сортов одного агроэкологического типа для характеристики истинной мощности корневой системы (определяемой поглощающей поверхностью) можно ограничиться учетом массы корней (Кумаков, 1985).

R. J. Hayness (1980) сделал подробный обзор результатов исследований, в которых изучалась зависимость между накоплением ионов растениями и ионообменными свойствами корня. Корни обладают четко выраженной катионообменной способностью; кроме того, они способны обменивать и анионы, но в значительно меньшей степени. Катионообменные свойства связаны с апопластом. Так как эти обменные участки находятся в алопласте в равновесии с ионами раствора, можно предположить, что они способны елиять на движение ионов через алопласт к плазмалемме, где уже и происходит активное погло-

щение. Считают, что клеточные стенки состоят ив целлюлозы, геми-целлюлоз, пектиновых веществ и белков, и их катионообменные свойства обусловлены главным образом наличием карбоксильных групп. Теоретически катионообменные свойства корня изменяются в зависимости от плотности заряда (Lauohli, 1976).

Некоторые исследователи (Bange, 1973; Epstein, 1972; Nye, 1977) считают, что поглощение ионов не зависит от катионообменных свойств корня. Другие (Hayness , 1980) отмечали, что относительное поглощение кальция и магния возрастало с увеличением катионо-обменной емкости корня. Для объяснения этих наблюдений использовали теорию Доннана. При низком уровне калия в почве виды с низкой катионообменной емкостью корней поглощали больше этого элемента, чем виды с высокой катионообменной емкостью корней. Это свидетельствует о том, что корни с низкой катионообменной емкостью легче поглощают калий. Полученные результаты трудно анализировать, так как необходимо определить, действительно ли катионообменные свойства сами по себе влияют на поглощение ионов или за этот процесс ответственны какие-то другие свойства корня, с которыми катионообменная емкость просто коррелирует (Барбер, 1988).

Rao P. Narasimha (1988) изучал баланс накопления катионов и анионов по отношению катионообменной емкости корней у злаковых (пшеница, кукуруза и др.) и установил, что корреляция между катионообменной емкостью корней и суммарным поглощением катионов выше (0,93), чем с анионами (0,85).

Остается нерешенным вопрос, существует ли причинная связь между катионообменной емкостью корней., растений и относительным поглощением одновалентных и двухвалентных катионов (Барбер, 1988).

1.1.3. Поглощение ионов ив раствора

Кинетические исследования N. Nielsen (Nielsen,1979, цит. по Воробьев, 1988) на почвенной культуре в сопоставлении с водной культурой растений оказались вполне обнадеживающими- прогнозы на водной культуре совпали с реальными оценками в почвенных условиях. Этот подход весьма перспективен для оценки транспортных характеристик корневой системы различных генотипов.

Требования растений к минеральному питанию обусловливаются изменениями их массы, химическим составом и реализуются через поверхность корней. При этом должен существовать механизм обратной связи со стороны надземной части, контролирующий поглотит ель ную активность. Для количественного определения потребности растения б питательных веществах может быть использована удельная скорость потока ионов через поверхность корня, что является более точной оценкой, чем их содержание в органах растения (Най, Тинкер, 1980).

Традиционно временная и концентрационная зависимость поглощения ионов (элементов) изучаются по накоплению последних в растительных тканях. Первый подход в сочетании с использованием изотопов позволяет точно и в короткие промежутки времени измерить потоки ионов в растения, Однако такой способ изучения кинетики транспорта связан с большим разбросом результатов, поскольку для получения концентрационной зависимости анализируются разные группы растений.

Использование изотопов сопряжено с рядом технических трудностей, требует специально оборудованной лаборатории, ч