Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Реакции растений на действие факторов внешней среды: онтогенетический аспект

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Реакции растений на действие факторов внешней среды: онтогенетический аспект"

Рг- Л

I о

СД

На правах рукописи

ТРОФИМОВА Светлана Алексеевна

РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ: ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

03.00.12 - физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Петрозаводск - 1995 г.

Работа выполнена в лаборатории стресс-физиологии растений Института биологии Карельского научного центра РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук

Е.Ф. МАРКОВСКАЯ

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

И.М. КИСЛЮК

доктор биологических наук, профессор Э.А. ГОНЧАРОВА

Ведущая организация: Институт почвоведения и фотосинтеза РАН (г. Пущино)

Защита состоится '1 & декабря 1995 года в часов /А мин на заседании диссертационного совета К 200.07.01 по присуждению ученой степени кандидата биологических наук при Институте биологии Карельского научного центра РАН по адресу: 185610, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Карельского научного центра РАН.

Автореферат разослан ноября 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Т.В. АКИМОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особое место в изучении биологической и хозяйственной продуктивности растений занимает выявление путей адаптации организма к условиям внешней среды и изучение механизмов, обеспечивающих их устойчивость. Как само понятие устойчивости, так и методические приемы ее оценки и диагностики разнообразны и неоднозначны (Методы оценки устойчивости..., 1976; Диагностика устойчивости..., 1988). , Одной из причин этого является отсутствие единой концепции устойчивости (Библь, 1965; Александров, 1975; Титов, 1989; Александров, Кислюк, 1994), объединяющей разные гипотезы и подходы (Lyons, 1973; Александров, 1975; 1985; Трунова, 1979; Туманов, 1979; Удовенко, 1979; Levitt, 1980; Дроздов и др., 1984). Работы по исследованию устойчивости большей частью посвящены изучению реакции растений на экстремальные воздействия условий среды (Удовенко, Гончарова, 1982; Петровская-Баранова, 1983; Дроздов и др., 1984; Коровин, 1984; Александров, 1985, 1994; Альтергот, 1981; Levitt, 1980). Показано, что повышение устойчивости связано с активизацией деятельности белоксинтезирующей системы (Levitt, 1972; Александров, 1975;. Дроздов и др., 1984; Титов, 1989; Кузнецов и др., 1990), изменением углеводного (Трунова, 1984) и липид-ного обменов (Нюппиева и др., 1980; Родионов, 1983; Войни-ков, 1987). Последние годы большое внимание уделяется стрессовым белкам, синтез которых наблюдается при экстремальных воздействиях (Guy, 1991; Vierling, 1991; Войников, Боровский, 1994). Изменения устойчивости сопровождаются ингибиро-ванием роста, что по гипотезе А.Ф.Титова (1989) вызвано включением адаптивной программы, и по мнению Дж.Тайлора (Taylor, 1989), обусловлено увеличением доли ассимилятов на дыхание поддержания.

Наряду с этим, известно, что активный рост растений часто сопровождается увеличением устойчивости (Фельдман, Ка-менцева, 1963; Горбань и др., 1974; Кислюк, - Палеева, 1990). Однако, характер динамики устойчивости отдельных органов и целбго растения в онтогенезе при различных условиях среды остаетск невыясненным. В ряде ¡ работ эти вопросы рассматрива-

ются, но результаты исследований противоречивы (Ланге, 1964; Библь, 1965; Генкель, Кушниренко, ! 1966; Александров, 1975; Жучеяко, 1988), что ограничивает и использование моделирования. Разработаны лишь единичные статические модели устойчивости (Курец, Попов, 1979; Su Wei-Al et al., 1990).

' Цель и задачи исследования. Целью работу было исследование закономерностей формирования термоустойчивости листьев растения в онтогенезе, в зависимости от уровня, напряженности факторов внешней среды и интенсивности ростовых процессов. В соответствии с намеченной целью в задачи работы входило:

- изучить динамику устойчивости листа в процессе его роста и развития;

- исследовать влияние температуры и освещенности на • устойчивость и ростовые показатели проростков огурца;

- количественно оценить влияние температуры воздуха и освещенности на температуру поверхности листа;

- провести сравнительный анализ температурной зависимости роста листьев делением и растяжением клеток;

- разработать концепцию динамической модели устойчивости растительного организма.

Научная новизна. Установлено, что изменение термоустойчивости в процессе формирования листа имеет параболический характер. Достижение стационарного уровня устойчивости . происходит одновременно с окончанием роста листа за счет деления клеток. Старение листа сопровождается снижением устойчивости. Установлено совпадение областей оптимальных температур для роста листа огурца делением и растяжением клеток. Сделан вывод, что в условиях среды* обеспечивающих рост и развитие растений, увеличение устойчивости носит иной характер, чем при действии стресса.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований и разработанная на их основании концепция моделирования могут быть использованы при разработке динамических моделей устойчивости растения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на молодежной конференции ботаников стран СНГ (Апатиты, 1993), на межинститутском семинаре "Применение математических методов в биологии"(Петрозаводск, 1993), на лабораторных

семинарах Института биологии КНЦ РАН (Петрозаводск, 1992, 1993, 1994), на 47-ой научной конференции преподавателей и студентов КГГТИ (Петрозаводск, 1995).

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 5 работ, включая 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 26 рисунков. Список цитируемой литературы включает 197 наименований, в том числе 57 на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования использовали огурец посевной гибрид Алма-Атинский 1 (Cucumis sativus L.) и озимую пшеницу с. Мироновская 808 (Triticum aestivum L.). Их семена проращивали в чашках Петри при 28"С в течение 2 сут, а затем высаживали в керамические сосуды с песком объемом 0.6 л и помещали под светоустановку при освещенности 10 клк и температуре воздуха 21° или в вегетационные климатические шкафы (Курец, 1986) с заданным уровнем освещенности (в диапазоне от 4 до 30 клк) и температуры воздуха (от 14 до 35°). Тепловое закаливание проводили при 38° в течение 1-2 сут при освещенности 10 клк. Используемые в опытах температуры были выбраны с учетом их зональной принадлежности (Дроздов и др., 1984). Влажность воздуха составляла 60-70%, фотопериод 12 часов. Температура почвы соответствовала температуре воздуха, спектральный состав света - облучению люминесцентными лампами под светоустановкой и лампами ДРЛФ-400 в камерах. Полив проводили модифицированным (с добавлением микроэлементов) питательным раствором Кнопа (pH 6,2-6,4).

Морфофизиологические измерения включали определение сухой массы растения и отдельных органов, а также их линейных размеров. Площадь листьев по линейным размерам рассчитывали с помощью регрессионных уравнений (Щербина и др., 1985; Марковская и др., 1988). Для анализа роста растений огурца использовали следующие расчетные показатели: R - относительная скорость роста биомассы растения, (мг/сут), Е - скорость

роста массы растения на единицу площади листа, (мг/см2» сут), БЬА - площадь единицы веса листа (см2/мг), Б - отношение площади листьев к биомассе растения (см /мг), - относительный вес листьев (Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения, 1989).

Число клеток в единице4 площади листа определяли по отпечаткам клеток верхнего эпидермиса на нитроцеллюлозном лаке, которые просматривали под световым микроскопом МБИ-3 (Хржановский, Пономаренко, 1979). Общее число клеток в эпидермисе находили как произведение числа клеток в единице площади на площадь листа. О биологическом возрасте растений судили по числу листьев, в том числе и заложившихся на апексе. Апексы просматривали с помощью лупы МБС-6 по методике И.Н.Львовой (1971).'

Холодоустойчивость и теплоустойчивость оценивали по реакции клеток высечек из листьев на 5-минутное промораживание в термоэлектрическом микрохолодильнике (Дроздов и др., 1976) и на 5-минутный прогрев в водном термостате (Александров, 1963). В обоих случаях критерием устойчивости служила температура гибели^ 50% паренхимных клеток листа (ЛТ^о), определяемая по деструкции хлоропластов и коагуляции цитоплазмы.

Изучение динамики устойчивости проводили на проростках огурца, выращиваемых при 15, 25 и 35° и освещенности 10 клк и на пшенице при температуре выращивания 21° и освещенности 10 клк. В динамике на протяжении 2-4 недель определяли холо-до- и теплоустойчивость семядольных листьев огурца, их площадь, сухую массу, число клеток верхнего эпидермиса на единице площади и в целом листе. У пшеницы параллельно с холодоустойчивостью оценивали нарастание площади второго листа и его сухой массы.

При исследовании способности к закаливанию проростки огурца выращивали при температуре 22-25° и освещенности 10 клк и по достижению семядольными листьями 20, 40 и 100% площади от максимальной подвергали тепловому закаливанию.

Опыты по влиянию различных сочетаний освещенности (4, • 10, 20 или 30 клк) и температуры выращивания (от 14 до 35°) на термоустойчивость и показатели роста проводили на про-

ростках огурца. Анализировали растения, достигшие одинакового биологического возраста в состоянии мезотрофного проростка, когда длина первого листа составляла 1 см (Марковская и др., 1985). В качестве показателя интегральной оценки енотовых и температурных условий использовали температуру поверхности листа. На основании литературных данных (Rajan, 1971, 1973) и проведения методического эсперимента рассчитали уравнение зависимости температуры листа от температуры воздуха и освещенности: .

Т =Т+(0,1581+0,1240*Е+0,0297.Т-0,0037*Е.Т+0,00023*Е2-

ЛИСТ

-0,00019*Т?); (R = 0,91, уравнение значимо), где Т - температура поверхности- листа, °С, Т - температура

лис т

воздуха, °С, Е - освещенность, клк.

При исследовании температурной зависимости ростовых процессов растения огурца выращивали при следующих температурных режимах (температура дня/ночи, Тд/Тн): 15/15, 15/25, 15/35, 20/20, 20/30, 25/15, 25/25, 25/35, 30/20, 30/30, 35/15, 35/25, 35/35°. Дважды в день при смене фотопериода определяли площадь семядольных и первых трех настоящих листьев, а по окончании роста каждого листа (до 5-го) находили сухую массу и площадь листовой поверхности растений. Скорость роста листа определяли в кардинальных точках кривой роста при 20, 50 и 80% площади листа от максимальной (Васильев и др., 1973, 1987). Для описания зависимости показателей от действия температуры в области околооптимальных условий были использованы квадратичные модели вида:

П=Ао+А1»Тд2+А2*Тн2+Аз»Тд+А4«Тн+А5»Тд»Тн, где П - показатель, Тд - температура дня, Тн - температура ночи, Aq ... As - определяемые по результатам эксперимента коэффициенты. ■ •■■■■■•■

По достоверным уравнениям рассчитывали область оптимальных температур, в которой Процесс' достигал 90% от максимума. Графическое сопоставление позволило выделить общую область оптимума для исследуемых показателей.

Обработка экспериментальных данных. Повторность по температурным вариантам опытов была 2-3-кратной, а повторность внутри каждого варианта 10-кратной при морфологических я анатомических измерениях и 6-кратной при определении ycTofc-

чивости. Статистическую обработку результатов, построение уравнений регрессии и расчет зоны оптимума проводили с использованием специально разработанных программ на ЭВМ "Искра 1256" (Безденежных, 1987).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Изменения устойчивости и ростовых показателей листа в онтогенезе

Температура выращивания существенно влияла на скорость и продолжительность процессов роста и развития. Так, при 15° семядольные листья достигали наибольших размеров, (10-11 см2) на 18 сутки, при 25° - (7-8 см2) на 7-10 сутки и при 35° -(4-5 2см ) на 6 сутки (рис. 1). При этом, число эпидермаль-ных клеток в единице площади при 15° составляло 700 кл/мм2, при 25° - 1000 кл/мм2, при 35° - 1300 кл/мм2. Таким образом, при 15° клетки были почти в 2 раза больше, чем при 35°. Снижение числа клеток в единице площади происходило на протяжении всего периода роста листа. Общее число клеток в эпидермисе выросшего семядольного листа при 15 и 25° составляло около 0.8 млн клеток, а при 35° - 0.5 млн клеток. Следовательно, уменьшение площади листа при высокой температуре (35°) было связано с уменьшением числа клеток и их размеров. При низкой температуре (15°) увеличение площади листа происходило за счет увеличения размеров клеток. Это может быть связано с неодинаковой температурной зависимостью процессов деления и растяжения клеток.

Если кривые, описывающие изменение биометрических показателей имели классический логистический характер с выходом на плато, то динамика холодо- и теплоустойчивости в процессе развития листа имела иной характер, близкий к параболическому (рис. 1, 2). Тепло- и холодоустойчивость синхронно увеличивались на первых этапах развития листа и достигали максимальных значений через 11 сут при 15°, 3 сут при 25° и 35°, когда площадь листа составляла 40-70% от наибольшей (рис. 1). При выходе на плато вне зависимости от температуры выращивания уровень как холодо-, так и теплоустойчивости был практически одинаков, лишь при 35° холодоустойчивость листьев была ниже на 0.8° по сравнению с 15 и 25° (рис. 1).

Устойчивость клеток листа (ЛТИ, °С ) к 5-мин проморахиванию

ti сг х Е X

ы

S

о

"3

tr га ш

о

т ><

•о с ш

г

s

х о ъ о Зэ

п> а ь о «с

о

^

о SX X

ш о о

S

"С

03

го

£ X CD ЗГ S го

3

ь о в в> ь

S

0D СО о > ' ГО

о—, ' ' 1 1 ' 1 ' ' ' ' 1 1 ' ' 1 1 1 ' ' ' 1 '

-а

S

ш

tJ

I

s: ttl

го z n n ■o

CJ

D)

J3

СЛ

Г0 ül

M СЛ

I 0>

ti

i 01

u

lili

ro lili

сэ -

TJ Í ! -

а -

э

о СЛ-

о

13

CD _

О

о

0)

ь О"

*

s:

о

-3 -

СО o 11111111

■-> ra ы

Í3 ca-

co i i I i i

o

го

1 ■ ■ ■ i 1 1

i i i i i CD (

i I I I | i i i i | i i i i | i i i

CJl СЛ Ul 3 O i- M

Устойчивость клеток листа (ЛТЮ. °0 ) к 5-мин прогревании

11111 i-, сл

Площадь семядольного листа, см8

1111111111111 м 1111111111 О СЛ 1-

о

м -U1-

III

Устойчивость клеток листа (ЛТЮ. °С) к 5-мин промораживание.

го £

а я

X

га •о 2 к о 0)

о

го г ю ы о ы <г

ь з:

0 -з

О"

01

о

ч

"С

■о с о

г з

X о ы о

13

го п ы

о ^

о н о 3

у

га го ы х .с го

£ ГО

-С

о ь ы

?с ь го ч

ш го

"О

X

■V X

го

ш

X

аз я:

н го 5£ а го -о в>

-3

■а Е

Ш Е -о

0

1 ш 0> з:

х »

01 >

N СЛ

СТ

Ы О!

Ж П>

Зз

з: а

СП (О о-, I I I I I I I I

а сл-

о - - !-■ га со

■111' ■1 I ■ ■ 111 111 I

I ' I' о о

1 I о

О)

-Т-т о

I > I о

со о

сп а> о

I I I 11 I 111 11 I I I

о сл-

ГО ■ 1111

о

I 1 I о о

1 I I I-о о

со 0-,1-и

о 01-

5

со о 1 ' 1 '1' 1 1 ' ' ■ ■ 1 ''1

ш

I > I I I о о

го и

I I I I ■ I |

»

| I I I I I I М I | I I I I I I I I I | I I I I |

ь <6 3 2 В 8

Устойчивость клеток листа (ЛТЮ, °С) к 5-мин прогреванию

1

о

о

-1 о

, СЛ □>

Число клеток в эпидермисе семядольного листа, млн. кл.

' ■»■ ■

о>

1—I

Сопоставление динамики холодо- и теплоустойчивости и числа клеток в эпидермисе листа во время его роста показало, что повышение устойчивости и увеличение числа клеток в листе завершались одновременно, до, окончания роста листа (рис. 2). Следует отметить, что в момент достижения семядольными листьями максимальной холодо- и теплоустойчивости при разных условиях выращивания их размеры были неодинаковыми как по абсолютным, так и по относительным значениям (рис. 1). Вместе с тем, анализ апекса показал, что при всех температурных режимах у растений в это время было по 5-6 заложившихся листьев.

Что касается устойчивости, то вплоть до завершения роста листа она сохранялась на высоком уровне, а затем снижалась (рис. 1).

Указанные закономерности были установлены в опытах на листьях огурца, характеризующихся поверхностным типом роста, то есть всей листовой пластинкой. Поэтому, большой интерес представляло изучить динамику устойчивости на однодольном растении с базальным типом роста листа, когда процессы деления и растяжения клеток разобщены в пространстве листовой пластинки.

Из дашшх, приведенных на рис. 3, видно, что повышение устойчивости и рост листа пшеницы заканчивались одновремен-

: Время после посадки,, сут |

_ Рис. 3 . Динамика площади (*), сухой массы (•) и холодоустойчивости (■) второго листа пшеницы при температуре выращивания 21°С

но. Очевидно, это связано с тем, что для анализа использова-. ли среднюю часть листа, где, сосредоточены как сформированные, так и не закончившие дифференциацию клетки , с разным уровнем устойчивости. И лишь с прекращением работы меристемы все клетки достигали наибольших значений устойчивости.

Таким образом, устойчивость, как свойство в пределах диапазона нормальной жизнедеятельности, формируется на первых этапах развития листа, и ее увеличение, по-видимому, .совпадает по времени с периодом роста листа делением клеток.

Известно, что неблагоприятное воздействие температур из зон холодового и теплового закаливания приводит к повышению устойчивости растений (Дроздов и др., 1984). В следующем эксперименте определяли способность к закаливанию семядольных листьев на разных этапах их развития. Растения выращивали при оптимальных условиях до определенного возраста и подвергали тепловому закаливанию при 38° в течение 1-2 сут. В момент воздействия площадь семядольных листьев исследуемых растений составляла 20, 40 или 100%. от максимальной; Значения теплоустойчивости проростков разного возраста до и- после закаливания приведены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние теплового закаливания на теплоустойчивость1 проростков огурца разного возраста

Площадь листа, 4 от Максимальной Устойчивость,клеток листа к 5 мин прогреву (ЛТ50),°С Прирост устойчивости (ЛТ50,°С)

до закалки после закалки

20 53,1±0,12 5 5,5±0,22 2,4

40 54,3±0,10 57,0±0,08 2,1

100 52,8±0,10 54,5±0,10 1,7

Полученное результаты показали, что тепловое закаливание проростков огурца приводило к увеличению теплоустойчивости независимо от их возраста. Однако, растения с семядольными листьями площадью 3-4 см2 (40% от наибольшей) обладали максимальной Теплоустойчивостью как до, так и после закаливания, тогда как более мелкие (до 2 см2 - 20%) и закончившие рост (8 см2 - 100%) листья характеризовались более

низкими значениями устойчивости (табл. 1). Достоверность различий была подтверждена также и результатами дисперсионного анализа.

Разный характер увеличения устойчивости в диапазоне нормальной жизнедеятельности и при закаливании свидетельствует о сложной, возможно, бикомпонентной природе устойчивости (Кузнецов, 1992). Если при постоянных условиях среды устойчивость увеличивалась только на первых этапах роста листа, то после закаливания повышение устойчивости наблюдали и у завершивших рост листьев.

2: Влияние температурных и световых условий выращивания на устойчивость и рост проростков

Исследование динамики ростовых показателей и устойчивости при температуре выращивания 15, 25 и 35° показало, что стационарный уровень как холодо-, так и теплоустойчивости, достигаемый в процессе роста семядольного листа делением клеток, изменяется незначительно. Наряду с этим, температура выращивания существенно влияла на скорость и продолжительность роста листьев (рис. 1).

При выращивании растений огурца в широком диапазоне световых и температурных условий, включающем сочетания температуры воздуха от 14 до 35° и освещенности 4, 10, 20 и 30 клк, значения как устойчивости, так ростовых показателей заметно варьировали (табл. 2). Причем, различия были вызваны

Таблица 2

Значения коэффициента вариации для показателей устойчивости и роста* проростков огурца, выращенных в разных световых и

температурных условиях

ХУ ТУ R Е F SLA LWR

Коэфф. в а -риац. v(%) 3,8 1,8 61,0 ,56,0 23,0 25,0 11 ,0

* Обозначения: ХУ - устойчивость клеток ■ листа к 5 мин промораживанию, (ЛТ5р,°С), ТУ - устойчивость клеток листа к 5 мин прогреванию, (ЛТ50, °С), R - относительная скорость роста биомассы растения, (мг/сут), Е - скорость роста массы растения на единицу площади листа, (мг/см* « сут), F - отношение площади листьев к биомассе растения (см2/мг), SLA -площадь единицы веса листа (см2/мг), LWR - относительный вес листьев. •

не только неодинаковыми условиями среды, но и вариабельностью самих показателей (при одних и тех же условиях). Тем не менее, сопоставление коэффициентов вариации для показателей роста и устойчивости (табл. 2) выявило значительно большее влияние условий выращивания на рост проростков огурца, чем на уровень их устойчивости.

Сами ростовые показатели изменялись под влиянием условий выращивания также по-разному. Но более стабильным из них оказался показатель относительной массы листьев (LWR), значения которого варьировали в пределах от 0,5 до 0,7, а наибольшей лабильностью отличалась скорость роста (R, Е).

3. Влияние температуры выращивания на рост листьев и целого растения

Исследования многих авторов показали, что температурные условия выращивания оказывают заметное влияние на скорость и продолжительность ростовых процессов и, соответственно, устойчивость растений (Thomas, 1983; Жученко, 1988; Taylor, 1989; Шевелуха, 1992). В некоторых работах отмечена неодинаковая температурная зависимость процессов деления и растяжения клеток (Kung, West, 1968; Kleinendorst, 1975). Однако, соотношение процессов роста листа делением и растяжением клеток в зависимости- от условий среды остается невыясненным.

Полученные нами данные свидетельствуют, что выращивание растений при разных сочетаниях дневных и ночных температур в диапазоне от 15 до 35°С приводило к изменению скорости и продолжительности роста листьев. Например, максимальная скорость роста второго листа при температурном режиме 15/35 (Тд/Тн) составляла 0,4 см2/сут, в то время как при 20/20 -14,0. Продолжительность роста семядольных листьев в зависимости от температуры варьировала от 2,4 до 14,6 сут, а настоящих листьев - от 10,0 до 32,0.

Графическое сопоставление областей оптимальных температур дня и ночи для скорости роста первых трех листьев в кардинальных точках кривой роста листа (20» 50 и 80% от максимальной, по Васильеву и др., 1973) выявило существование общей области оптимума, которая включала температуры дня от 21 до 26° и ночи - от 17 до 24° (рис. 4, а-в). Это означает,

тн, °с

25 20 15

ТН,°С 30

ТН, °С 30

А

*

А 1 /?

ТД, °С

Рис. 4. Области оптимальных температур дня (ТД) и ночи (ТН) для скорости роста 1-го (А), 2-го (Б) и 3-го (В) настоящих листьев огурца при относительной площади листа 20,50,80%

- 20%, «-50%, • • 80%

15

что существует диапазон перекрывания областей температурного оптимума для скорости роста листа, который сохраняется в процессе его развития (с увеличением площади от 20 до 80 % от максимальной) и в онтогенезе растения (1, 2, 3-й листья) (рис. 4). Поскольку, при 20% площади листа от максимальной преобладает рост листа делением клеток, а при 80% площади -их растяжением, значения оптимальных температур, обеспечивающих наибольшую скорость роста листа делением клеток и их растяжением сохраняются на протяжении длительного времени.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Устойчивость, как интегральный показатель, характеризующий способность организма отвечать на неблагоприятное воздействие, зависит от вида растения (Васильев, 1953; Лар-хер, 1978; Дроздов, Балагурова, 1990; Давыденко и др., 1992), этапа онтогенеза (Фельдман, Каменцева 1963; Бондарев, Митрополенко, 1979; Жученко, 1988; Лаханов, Балачкова 1978; Оаёаг, 1990) и уровня напряженности факторов среды (Александров, 1975; Альтергот, 1981; Коровин, 1981; Дроздов и Др., 1984).

Предпринятое исследование касалось мало изученной проблемы - феноменологии устойчивости в диапазоне условий среды, обеспечивающих рост и развитие растений. Нами было показано, что исследуемые световые и температурные условия (освещенность 4-30 клк и температура воздуха 15-35°) относятся к диапазону нормальной жизнедеятельности, поскольку рост и развитие растений не прекращались.

Результаты экспериментов показали, что рост листа сопровождался повышением устойчивости (рис. 1-3). Однако, у огурца максимальных значений она достигала до завершения роста листа (рис. 1), % у -пшеницы одновременно с окончанием роста (рис. 3). Ко времени достижения максимальной устойчивости листом огурца его площадь составляла 40-70 % от окончательного размера, но число клеток верхнего эпидермиса при всех температурных режимах больше не увеличивалось (рис. 2).

Известно, что лист растет за счет процессов деления клеток (время окончания которого условно можно оценить по стабилизации числа клеток в листе), и их растяжения (время

окончания - по завершению роста площади листа) (Уоринг, Фил-лилс, 1984). Это разделение условное, но на качественном уровне позволяет методически разделить два процесса. Необходимо отметить, что прекращение деления и растяжения клеток в различных слоях листа происходит неодновременно (Уоринг, Филлипс, 1984), но, поскольку лист характеризуется симпласт-ным (согласованным) ростом, эти различия для решения нашей задачи несущественны.

Выявленные закономерности дают основание предполагать, что формирование устойчивости связано с процессами, происходящими в листе во время его роста за счет деления клеток.

Различия в динамике устойчивости представителей двудольных и однодольных растений связаны с неодинаковым характером роста листовой пластинки. У огурца поверхностный тип роста листа, то есть деление клеток сменяется их растяжением, а у пшеницы зоны деления и растяжения клеток листа разделены в пространстве (базальный тип роста). Поэтому клетки листа огурца примерно одинакового возраста и уровень их устойчивости изменяется одновременно, а у клеток листа пшеницы разный возраст и, соответственно, неодинаковый уровень устойчивости. Однако, и в том, и в другом случае повышение устойчивости в условиях нормальной жизнедеятельности происходило в период роста листа, при завершении которого устойчивость была максимальной.

Изменение устойчивости при действии неблагоприятных условий, по мнению ряда авторов, связано с деятельностью бе-локсинтезирующей системы (Дроздов и др., 1984; Кулаева и др, 1988; Титов, 1989; Вл.В.Кузнецов и др., 1990). Известно, что основной синтез белковых компонентов цитоплазмы и образование клеточных органоидов наблюдаются при делении клеток (Сабинин, 1963; Иванов, 1974; ¡^ак, 1975, Мокроносов, 1981). Поэтому, обнаруженное нами повышение устойчивости при постоянных условиях среды может быть в той или иной степени сопряжено с синтезом белковых компонентов клетки.

После достижения максимума, как холодо- так и теплоустойчивость (рис. 1, 3) аналогично возрастной динамике других физиологических показателей (Кренке, 1950; ¡^ак, 1975; Мокроносов, 1981) снижались, что можно интерпретировать как

начало старения листа.

Полученные нами результаты по онтогенетической изменчивости термоустойчивости позволяют проанализировать ряд имеющихся,в литературе противоречивых данных о величине устойчивости листьев разного возраста „(Библь, 1965; Ланге,,1965; Александров, 1975; Жученко, 1988). В связи с показанной нами динамикой формирования устойчивости понятия "старый" и '.'молодой" лист требуют уточнения. Так, лист может голеть максимальные значения термоустойчивости только тогда, когда достигает 50-70% своего окончательного размера, а пониженные -как на первых этапах своего развития, так и при начавшемся старении. Различные значения, устойчивости в пределах одного листа можно объяснить не только временной (у двудольных), но и пространственной (у однодольных) разобщенностью процессов деления и растяжения клеток.

Увеличение устойчивости семядольных листьев огурца при всех температурных режимах происходило до заложения на апексе 5-6 листьев и продолжалось в течение И сут при 15°, 3 сут - при 25° и 35°. По нашему мнению, это связано с синхронизацией процессов увеличения устойчивости и роста листа делением клеток с заложением метамеров на апексе.

Выращивание проростков огурца в широком диапазоне световых и температурных условий приводило к изменению значений холодо- и теплоустойчивости и ростовых показателей, однако, варьирование ростовых показателей в этих же условиях было более существенным (табл. 2). По-видимому, условия выращивания, обеспечивающие рост и развитие растений, в большей степени влияют на интенсивность ростовых процессов, чем на устойчивость растений.

..... Увеличение устойчивости под влиянием неблагоприятной температуры (при тепловом закаливании) наблюдалось не только в период роста листа, но и после его завершения. По-видимому, механизмы, лежащие в основе изменения устойчивости в условиях, обеспечивающих рост и развитие растений, и при температурном стрессе различны, что свидетельствует о необходимости их раздельного рассмотрения.

: При выделении разных типов устойчивости особое внимание уделяется уровню напряженности и продолжительности действия

исследуемого фактора среды, и цепи реакций вызываемой этим воздействием. Так, В.Я.Александров (1975) различает первичную и общую устойчивость, первая из которых определяется непосредственно после исследуемого воздействия, а вторая, которая включает и репарацию, - спустя некоторое время. Выделение структурной и функциональной составляющих устойчивости предложено В.Ф.Альтерготом (1973). Автор разделяет устойчивость до и после флуктуирующего супероптимального температурного воздействия. Вл.В.Кузнецовым с соавт. (1990, 1992) предложена гипотеза о бикомпонентной природе устойчивости, включающей конститутивную и индуцибельную составляющие. Проявление индуцибельной устойчивости происходит на фоне конститутивной и вызывается экстремальным воздействием. Взаимосвязь систем конститутивной и индуцибельной устойчивости носит реципрокный характер.

В терминах гипотезы Вл.В.Кузнецова выявленные нами закономерности изменения устойчивости в онтогенезе листа при постоянных температурах относятся к конститутивной составляющей устойчивости. Индуцибельная, реактивная (по Александрову, 1975), устойчивость выявлялась лишь при закаливании. Следует отметить, что различия в проявлении конститутивной и индуцибельной составляющих связаны с интенсивностью ростовых процессов. Формирование конститутивных систем устойчивости сопровождается активизацией роста, а повышение индуцибельной устойчивости, напротив, сопряжено с торможением роста.

В литературе обсуждается вопрос об отрицательной связи между интенсивностью ростовых процессов и повышением устойчивости (Жученко, 1988; Шевелуха, 1992). Для объяснения этого феномена предложена гипотеза переключения при стрессе онтогенетической программы на адаптивную (Титов, 1989) и гипотеза об усилении дыхания поддержания в период действия стресса (Taylor, 1989). Обе гипотезы опираются на постулат о повышении устойчивости и йнгибировании роста при действии стресса. ^

В нашей работе максимальные значения устойчивости листа наблюдали в период его интенсивного роста. По-видимому, формирование систем конститутивной устойчивости (которое проявляется как повышение устойчивости) является компонентой

нормальной онтогенетической программы развития растительного , организма и не конкурирует с ростовыми процессами»^ Максимальные абсолютные значения конститутивной, устойчивости рас-, тений, выращенных при различных температурах, и достаточно близки. По-видимому, это связано с тем, что диапазон условий, в которых может формироваться жизнеспособное, нормально функционирующее расте^ше огурца достаточно широк.

Таким образом, в онтогенезе растения по мере формирования листьев возникает интегрированная система устойчивости целого растения. В каждый.,.момент развития растения его устойчивость определяется устойчивостью отдельных листьев, находящихся на одном из этапов своего развития. В диапазоне нормальной жизнедеятельности растение характеризуется показателем исходной (конститутивной, по Вл.В.Кузнецову) устойчивости. А при стрессовых воздействиях в общую систему устойчивости включается ее индуцибельная составляющая.

Изучение температурной зависимости скорости роста семядольных и первых трех настоящих листьев на разных этапах их развития выявило перекрывание областей оптимума. В диапазоне температур дня и ночи в пределах от 21 до 26° и ночи - от 17 до 24° скорость роста листа делением и растяжением клеток была наибольшей (рис. 4). Следовательно, существует диапазон условий оптимальный для ростовых процессов, границы которого сохраняются в жизненном цикле листа и онтогенезе растения (Василевская, 1991). По-видимому, эта область условий является .оптимальной и для формирования устойчивости в онтогенезе - она достигает максимальных значений за минимальное время, что обусловлено высокой скоростью роста листа делением клеток.

В результате исследования нами совместно с О.В.Толстогу-зовым (Толстогузов, Марковская, Трофимова 1993), была разработана концепция моделирования холодо- и теплоустойчивости, которая может быть использована для компьютерного изучения процесса адаптации растения к изменяющейся температуре окружающей среды (включая и ее стрессовые значения). В основу концепции доложены следующие гипотезы: о зональном действии температурного фактора (Дроздов и др., 1984), генетическом, контроле устойчивости (Титов, 1989) о двухкомпонентной при-

роде устойчивости (Кузнецов и др. 1990) и взаимосвязи роста и устойчивости (Трофимова, Марковская, 1994). Важнейшие положения концепции модели включают в себя следующие:

- устойчивость как свойство растения формируется в процессе роста и развития органов и определяется синтезом различных веществ, в первую очередь, белковых компонентов клетки;

- максимальных значений устойчивость листа достигает к моменту окончания его роста за счет деления клеток. Этот уровень устойчивости сохраняется на протяжении последующего роста листа и снижается при старении листа. Он назван исходной или конститутивной устойчивостью;

- развитие органа (листа) с соответствии с основной онтогенетической программой происходит за счет функционирования основных путей метаболизма. При любом резком изменении условий, даже в пределах оптимума, может включаться программа адаптации, которая вызывает подключение дополнительных метаболических путей и, в частности, синтез белков de novo;

- изменения устойчивости, вызванные экстремальным воздействием фактора, связаны с реализацией ее адаптивной или инду-цибельной составляющей;

- при повреждающем воздействии происходит падение устойчивости, что приводит к гибели растения.

ВЫВОДЫ

1. Изменения устойчивости в процессе роста и развитии листа описывается параболической кривой. Максимальные значения устойчивости листа отмечались при завершений его роста за счет деления клеток. Снижение уровня устойчивости свидетельствует о начале старения листа.

2. Повышение устойчивости в результате неблагоприятного воздействия (теплового закаливания) не сопряжено непосредственно с отдельными этапами роста листа.

3. Показано, что устойчивость при постоянных световых и температурных условиях выращивания варьирует в меньшей степени, чем ростовые показатели.

4. Получено количественное описание зависимости температуры листа от температуры воздуха и освещенности.

5. Выявлено, что существует диапазон температур дня и

ночи, где возможна оптимизация скорости роста листа, увеличения листовой поверхности и накопления биомассы растением на протяжении роста первых пяти настоящих листьев. -

6. Предложена концепция построения динамической модели-устойчивости растения (на гфимере проростка огурца).

Настоящая работа выполнена по плану НИР Института биологии Карельского научного центра РАН ,(№ государственной регистрации 01.9.10022161). Работа частично финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (№ государственной регистрации 01.940004309).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Трофимова С.А., Марковская Е.Ф. Влияние условий выращивания на взаимосвязь холодо- и теплоустойчивости проростков огурца // Тез. докл. мол. конф. ботаников стран СНГ ''Актуальные проблемы ботаники". Апатиты, 1993. С. 95-96.

2. Трофимова С.А., Марковская Е.Ф. Взаимосвязь холодо-и теплоустойчивости растений огурца // Контроль состояния и регуляция функций биосистем на разных уровнях организации. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1993. С. 109113.

3. Толстогузов C.B., Марковская Е.Ф., Трофимова С.А. Экспериментальные и теоретические предпосылки модели термоустойчивости растений // Там же. С. 113-125.

4. Трофимова С.А., Марковская Е.Ф. Формирование термоустойчивости в онтогенезе семядольных листьев огурца // Адаптация, рост и развитие растений. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1994. С. 55-60.

5. Трофимова С.А. Температурная зависимость скорости роста листа делением и растяжением клеток //Тез. докл. конф. "Проблемы изучения, охраны и рационального использования природных ресурсов". Сыктывкар. 1995. С. 60.

Подписано к печати 04.11.1595. Формат 60x90/16. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ 252/СР. Объем I п.л.

Печатный цех КГПИ. 185680, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, 17.