Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Рост и устойчивость к фузариозу сосны обыкновенной

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Рост и устойчивость к фузариозу сосны обыкновенной"

РГб од

1 5 'Ю/111^ипскля ЛКЛДЕМ1Ш наук

' 3 СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Институт леса имени П. Н. Сукачева

На правах рукописи Ш И ВИСТ О В Л Ольга Борисовна

УДК 634.0.15:634.0.161.4:634.0.443.2+632.25

Рост и устойчивость к фузариозу сосны обыкновенной

03.00.16 — Экология

03.00.12 — Физиология растений

А В Т О Р Е Ф Е Р Л Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск— 1903

Работа выполнена в Институте леса имени В. Н. Сукачева СО РАН.

Научный руководитель:

доктор биологических наук Г. П. Гире

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, заслуженный деятель науки России, профессор В. В. Протопопов

кандидат биологических паук доцепт Н. II. Белоног

Ведущее предприятие:

Сибирский Ордена Трудового Красного Знамени технологический Институт

Защита диссертации состоится « «^1993 году

¿иоя -——/--—

г. /7 часов на заседании специализированного Совета

К 002.70.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса им. В. Н. Сукачева по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, ИЛ им. В. Н. Сукачева СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса пм. В. Н. Сукачева СО РАН.

Автореферат разослан « ¿4 >

1993

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник О. А. Зырянова

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность темы. Фузарноз соски обыкновенной - одной из основных лесообраэующих пород Сибири - является серьезным препятствием для получения качественного посадочного материала при восстановлении площадей вырубленных хвойных лесов. Если в силу фунгкстаэиса, присущего естественный биогеоценозам, уровень инфицирования самосева в них невысок (Журавлев,1974; Шубин и др.,1980),то в искусственных ценозах лесных питомников, где на сравнительно небольших территориях сконцентрировано значительное количество растении одного возраста,потери от заболевания неизбежны. В зависимости от экологических условий, гидротермического режима почв и видовых свойств патогенов они могут составлять от 10-20% до 100% (Журавлев и др.,1974; Эрская,1988).

Биологические особенности возбудителей фузариоза - сапро-трофных грибов рода Fusarium, равно как и устойчивость их хла-мидоспор к фунгицидам (Билай,1977), диктуют приоритет методов защиты растений, базирующихся на понимании природы резистентности к патогенным микроорганизмам.

Для сосны обыкновенной фузариоэ - специфическая болезнь молодого возраста", представляющая опасность для семян, проростков и всходов первых недель вегетации (Журавлев,1974; Со-кглова.Сеиенкова,1981; Синадский,1983; Шевченко,Цилюрик, 1986). Взрослые сосны, в отличие от формирующихся сеянцев, располагают комплексом механизмов предннфекционном устойчивости (аксенин), практически исключающих инфицирование здоровых деревьев. Следовательно ,за-ра*ение проростков и всходов сосны становится возможным вследствие присущих им анатомо-морфологических и физиолого-биохимических отличий. Вместе с тем, отдельные молодые растения способны избегать необратимых нарушений жизнедеятельности в ходе патологического процесса посредством реализации постинфекционных защитных реакций, которые у высших растений связывают с активизацией фенольного метаболизма (Friend,1979; Rhodes,

1985; Mace,1989; Gottstein.Gross,1992).

В настоящее время хорошо изучены биология, систематика и экология возбудителей фузариоза сосны (Гуляев,1959; Жуков, 1978; Чураков,1983,1986; Эрская,1988; и др.), однако, физиология инфицированных растений, а главное, их способность противостоять инфекции, исследованы слабо. Не выяснены также физиологические характеристики, лежащие в основе восприимчивости или резистентности проростков и всходов к заболеванию.

В связи с этим, цель исследований состояла в установлении особенностей роста и развития сосны обыкновенной а первый месяц вегетации и способности осуществления постинфекциоиных реакций устойчивости к фузарнозу.

В соответствии с целью исследований были сформулированы следующие задачи:

изучить физиологические показатели роста и развития проростков и всходов сосны первого месяца вегетации и их изменения при инфицировании;

- исследовать динамику накопления (количество и качественный состав) фенольных соединений проростков и всходов сосны как одного из факторов устойчивости к фуэариоэу;

- установить физиологические причины снижения устойчивости проростков и всходов сосны при избыточном азотном питании;

- изучить влияние некоторых общепринятых в практике лесного хозяйства способов предпосевной обработки семян на рост и устойчивость сосны к фузариозу.

Научная новизна. В диссертации впервые установлены морфологические показатели роста, динамика оводненности тканей, накопления макроэлементов и фенольных соединений в связи с устойчивостью к фуэариоэу. Выделены гетеротофный , миксотрофный и автотрофный периоды развития проростка и охарактеризованы изменения резистентности к патогену на данных этапах. Доказана роль фенольных соединений в защитных реакциях проростков и всходов сосны обыкновенной.

Практическое значение работы. В ходе полевых экспериментов выделен наиболее эффективный из простых общепринятых в ле-сокультурной практике способ предпосевной стимуляции семян сосны, повышающий устойчивость всходов к фузариозу. Обоснована необходимость поиска предпосевных стимуляторов, активизирующих лигнификацию и ускоряющих вызревание клеток гипокотиля, что увеличивает резистентность растений к сосудистым патогенам .

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены на конференции молодых ученых Института леса СО РАН (1987, 1989 гг.), Всесоюзной конференции "Проблемы лесовосста-новления в таежной зоне СССР" ( Красноярск, 1988), Всесоюзной конференции "Проблемы физиологии и биохимии древесных растений" (Петрозаводск, 1989), Международном симпозиуме "Экофи-зиология хвойных" (Абакан, 1991).

По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав (последняя представляет собой обсуждение результатов) списка литературы и приложения. Список литературы насчитывает

наименований, в том числег^^^на иностранных языках. Текст иллюстрирован 26 рисунками и включает 6 таблиц. Приложение содержит 2 рисунка и 1 таблицу. 05щпИ объем работы 4$3 страниц,

Ц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Глава носит обзорный характер. Приведены сведения о биологических особенностях и экологии возбудителей, этиологии фуза-рноэа (Воробьева, 1959; Журавлев, 1974; Сннадский, 1983; Попкова, 1989; Tasche, Gíerczak, 1970; Blanchard, Tattar, 1981; Pegg, 1983; Pellegrin et al, 1988; Pegg, 1939; Seghal et al, 1989; и др.), схемой проиллюстрированы нарушения физиологии проростков сосны при заболевании. Рассмотрена роль пектолнтическнх ферментов и токслнов гриба в развитии патологического процесса (Апша-рнна, 1985; Dixon, Pegg, 1972; Cooper, Wood, 1980; Benhamou et al, 1990). Подчеркинается, что в основе патологии при сосз'дис-той инфекции лежит блокирование проводящей системы растения разрастающимся иицелием патогена (Bcckman, 1987 ; DeVay,1989). Систематизированы сведения о фнзиолого -биохимических и анатомических особенностях формирующихся проростков и всходов сосны, являющихся предпосылкой для инфицирования (Белостоков, 1963, 19б5;Кондг>ашова, Яценко-Хыелевский,1977; Перетлтко, Седова, 1 9S3, 1 9S7 ; Кудашова, Осетрсва,1985; Hock, К J arman,1967 ; R^th,1974; McCkacfcen,1979; и др.). В главе дан анализ представлений об устойчивости высших растений к сосудистым заболеваниям н участии фенольных соединений в постинфекцнонных реакциях резистентности (Горленко,1973; Дьяков,1989; Валынец и др., 1991; Кис,1966; Kosuge,1S69; Gentile, Matta,1975; Howell,1976; Hunter,1978; Vance et al,1980; Mace ,1989; Gottstein, Gross. 1992).

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами настоящих исследований слухилн проростки и всходы сосны обыкновенной.

До сих пор в литературе нередко отохдествление понятий "проросток", "всход" и "сеянец", особенно в англоязычных публикациях, где все указанные этапы развития объединены термином "seedling".

Начало стадии проростка определяется моментом прорастания семени, а завершение - развертыванием верхушечной почки. Принятое в физиологии древесных растений определение проростка (Серебряков, 1962) дополняют указания А.В.Веретенникова на то, что

семядоли являются единственным специализированным фотосинтезиру-ющим органом (Веретенников,1986,1989), Ростом первичной хвои и корешков первого порядка знаменуется переход к стадии всхода (Санников,1963), длящейся у хвойных вплоть до сбрасывания семядолей (Нухимовская,1971). Употребление термина "сеянец" такхе правомерно, поскольку начало данной более широкой возрастной стадии совпадает с началом этапа становления всхода (Белосто-ков,1967).

Б соответствии с задачами исследований, экспериментальная часть работы выполнялась в лаборатории физиологии и экологии древесных растений Института леса им.В.Н.Сукачева СО РАН (1985-1991 гг.) и в полевых условиях. Полевые опиты закладывались в питомнике Верхне-Каэанского лесничества Больше-Муртин-ского мехлесхоза и в лесопитомнике Ерыаковского лесхоза Красноярского края.

Верхне -Казанский питомник расположен в подзоне Южной тайги Ангаро -Енисейского региона. Почвы - темно-серые, слабоопод-золенные, легко -глинистые, образованные на облессованных карбонатных глинах. Среднегодовое количество осадков - 330-400 ым, продолжительность периода с температурами выше +10°С - 104110 дней. Ерыакоеский лесопитомник расположен в лесостепной зоне. Почвы - чернозем оподзоленный на древнеаллювиальных песчаных отложениях. Среднегодовое количество осадков - 450-500 мы. Продолжительность иериода с температурами выше +10° С - 114120 дней. Состояние азотного фона почв обоих питомников благоприятное, содержание гумуса высокое (по данным, предоставленным Э.П.Поповой и Р.Габбасовым).

Перед посевом в питомниках семена сосны . обыкновенной 1 класса качества (ГОСТ 14161-86) стерилизовали перманганатоы калия (Журавлев,1974). Для определения воздействия предпосевной обработки на рост и устойчивость формирующихся всходов семена в течение 18 часов намачивали : 1) в 0.IX растворе мочевины; 2) в 0.05% растворе медного купороса; контрольные растения выращивали из семян, указанное время выдерживаемых в дистиллированной воде. Подготовленные семена высевали строчным методом на гряды в трехкратной повторности. Каждые 3-5 суток измеряли абс.сухую массу растений ( содержание влаги определяли стандартным способом (Ермаков и др.,1972); проводили учет особей, проявляющих визуальные симптомы фузариоза (Журавлев и др.,1974; Pegg,1983), отбор и фиксацию кипящим 96% этанолом образцов для биохимических анализов.

Искусственное инфицирование проростков сосны проводилось в вегетационных опытах. Растения выращивали на стерилизованном субстрате (смеси песка, гравия и инертных полиэтиленовых гранул) при внесении каждую декаду питательной смеси Уолкера в концентрации 1:4 от полного состава (Прокушкин,1977).

б

Растения инфицировали водной суспензией вирулентных спор гриба Fusarium sporotгichie1 la irar.sporotTichioides (Bilai), характерного для района получения семян возбудителя фузариоза (Якименко, 1986). Споры патогена били получены из Всесоюзной коллекции микроорганизмов Института микробиологии РАН (Пуцино-иа-Оке). Суспензия готовилась по стандартным методикам (Методы экспериментальной микологии,1982; Методические указания (раз-раб.С.Ф.Сидорова),1984). Суспензию титром 1x10е вносили в субстрат из расчета млн. спор на 1 куб.см субстрата.

Для изучения воздействия уровня азотного питания на устойчивость проростков использовали 5 вариантов концентрации аммиачных и нитратных солей в смеси Уолкера (исходная концентрация -8.7 мг/л). В дальнейшем варианты именуются IN,2N,3N,4M,5N.

Определение азота и фосфора выполнялось из одной навески абс.сухого растительного материала ( Гинзбург, Щеглова,1960), калия - методом газо-плазменной фотометрии. Количественное определение и фракционирование фенольных соединений производилось по методике Мариго (Marigo,1973) в модификации Л.П.Александровой и В.И.Осипова (1985). Содержание прозктоцнанидннов -по методу Стаффорд и Лестер (Stafford.Lester,1981). Оценку содержания лигнина в неэкстрагируеыом 80% этанолом растительном остатке делали по стандартной методике (Venverloo,1965).

Качественный состав фенольных соединений исследован методом ВЭЖХ на приборе "Милнхром". Элюция - в градиенте этанола в уксусной кислоте на колонке диаметром 2x64 мм с сорбентом "Nucleo-syl ADS". Детектирование - при 270 нм.

Для идентификации фенольных соединений осуществляли кислотный гидролиз этанольно-водных экстрактов, позволяющий переводить натианые фенолы, присутствующие в растительных клетках в форме эфнров и гликозидов, в свободное состояние. Спектры поглощения отдельных веществ регистрировали при 240-360 нм.

Глава 3. РОСТ И РАЗВИТИЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ПЕРВЫЙ МЕСЯЦ ВЕГЕТАЦИИ

В течение первого месяца вегетации сосна обыкновенная последовательно проходит ряд возрастных анатомо-морфологических стадий, связанных с активным новообразованием, ростом органов и дифференциацией тканей. Первая неделя вегетации начиналась выходом семенного колпачка на поверхность почвы и образованием первых корневых волосков. На второй неделе происходил сброс семенного колпачка и развертывание семядолей, определяющее переход к семядольной стадии развития. Третья-четвертая недели характеризовались формированием первичной хвои и- корешков первого порядка, что свидетельствовало о начале фазы становления всходе. В итоге, с концу первого месяца вегетации всход сосны обыкновенной представлял собой растение с хорошо развитой хор-

7

невой системой (встречаемость микоризы достигала 34%), активно фотосинтезирующиыи листовыми органами (семядолями и первичной хвоен) и плотным коричневатым стволиком.

Количество семядольных листочков варьировало от 3 до 8. Число семядолей проростков подчинялось закону нормального распределения и описывалось кривой Гаусса. Первичная хвоя скорее формировалась у растений с 6 и большим количеством семядолей, но длина эпикотиля и число хвоинок не зависело от этого показателя. Биомасса гипокотилей и листовых органов всходов положительно коррелировала с числом семядольных листочков.

Анализ накопления абс.сухого вещества в первый месяц вегетации сосны показал, что наибольшей ростовой активностью обладали листовой аппарат и корень (рис.1). Масса корней увеличивалась с той же интенсивностью, что и листьев. Причем, если существовала пауза между полным развертыванием семядолей и началом роста первичной хвэи, о чем свидетельствовал расчет удельной скорости ростового процесса, то корень рос непрерывно с некоторым замедлением на четвертой неделе вегетации. Ги-покотиль в первый месяц развития - наиболее медленно растущий орган.

кг 18 «

И 12 10 8 6 А

I II III ТУ У недель,возраст Рис Л. Накопление биомассы органами формирующихся всходов сосны обыкновенной в первый месяц вегетации, мг абс.сух.массы I - листовой аппарат; 2 - гипокотиль; 3 - корень

8

г

Одним из характерных показателей возрастных изменений растений являлась оводненность клеток. Как свидетельствуют данные полевого опыта, масса сухого вещества проростка в первые дни существования не превышала 10%. Наиболее богат влагой (94.1+1.0%) гипокотиль активно транспирирутощих растений. Оводненность органов снижалась в течение первых недель надземного роста, отражая как анатомические, так и физиологические изменения, происходящие в процессе становления всхода. Особенно четко это проявлялось у осевых органов (гипокотилей и корней). Гак, к концу первого месяца вегетации влажность корней снижалась в 1.6, а гипокотилей - в 1.4 раза. Кривая, описывающая возрастное снижение влагосодержания листового аппарата, имела сглаженный вид во второй части (2-4 недели развития), поскольку в этот период происходило формирование первичной хвои и эпикотильной части побега как наиболее молодых образований, еще сильно оводненних (дс 90.4il.lS).

Заражение фузариоэом вызывало угнетение роста растений, внешним проявлением которого служило снижение сухой массы по сравненню с контролем. Особенно ярко это проявлялось у листовых органов, биомасса которых составляла 80% от контроля, в то время как у корней и стволиков - 89.6% и 87.7%, соответственно. Сохранившие жизнеспособность устойчивые всходы сосны не проявляли признаков увядания. Влажность их органов оставалась на уровне контроля. Даже содержание влаги в листовом аппарате, который при сосудистых заболеваниях первым проявляет признаки водного дефицита (DeVay,1989), не различалась с контролем.

Избыток азота в питательной среде снижал накопленне биомассы всходов сосны. Так, биомасса выращенных на избыточном азотном фоне растений составляла, мг абс.сух. вещества: 1N 2N 3N 4N 5N

17.0+0.7 16.6+0.9 14.6+0.5 13.6+0.5 12.8+0.7 Это вызвано угнетением роста первичной хвои н корней, приводящим к ослаблению формирующихся всходов и снижению их массы. На росте гипокотиля трофические условия сказывались незначительно. При повышенном содержании азотных солей в питательной смеси Уолкера ¡рост инфицированных фузарием всходов сосны снижался сильнее, в 1.7-1.8 раза уступая контролю.

Глава 4. СОДЕРЖАНИЕ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ ВСХОДОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

Поглощение макроэлементов корнями проростков сосны начиналось еще на стадии подземного роста. Содержание азота, фосфора и калия у только что вышедших на дневную поверхность проростков сосны обыкновенной в 4.95, 1.7 и 1.8 раза, соответственно, превышало исходное в мегагакетофнге семени.

9

Содержание макроэлементов в органах формирующихся проростков и всходов коррелировало с накоплением биомассы (коэффициенты корреляции высоки не ниже 0.8). Наиболее сильными ат-трагируюэдыи центрами для азота, фосфора и калия являлись активно растущие листовые органы. Развертывание верхушечной почки и появление нового аттрагирующего центра - первичной хвои вызывало перераспределение макроэлементов: более половины поступающих в листья веществ утилизировалось первичной хвоей. Корни растений активно накапливали азотистые соединения. Соде ржание азота в гипокотилях, довольно высокое с первых дней существования проростка (до 160.0£0.5 мкг/орган), оставалось стабильным на протяжении первого месяца вегетации. Количество фосфора в корнях и гипокотилях возрастало медленнее, достигая максимальных величин к четвертой неделе вегетации. Калий активно накапливался только в листовых органах растений, особенно в период формирования первичной хвои.

Избыточное азотное питание приводило к накоплению азота в растениях (от 1.4- раза по сравнению с контролем в вариантах 2Л, ЗЫ до 1.7-1.8 раза в вариантах 4И, 5Ь). На поступление фосфора и калия азотный фон не влиял. При этом, распределение азотистых соединений по органам всходов существенно менялось. При оптимальных трофических условиях основная масса общего азота транспортировалась в листья. При увеличении азотного фона наблюдалось "затоваривание" корней и стволиков азотистыми соединениями за счет снижения поступления в листовые органы. В варианте 5Ы семядоли и первичная хвоя содержали на 20% меньше азота, чем в контроле - на оптимальном азотном питании. Снижение количества азота в листовых органах может быть обусловлено как нарушением транспортных функций осевых органов,так и уменьшением аттрагирующей силы листьев. Б обоих случаях наблюдается дисбаланс азота, который тормозит рост и повышает риск заболевания

При высоком азотном фоне питательной смеси концентрация фосфора в листьях растений уменьшалась в большей степени, чем азота.

На основании полученных сведений следует ожидать, что при избыточном содержании азотных удобрений первичная хвоя формирующихся сеянцев сосны будет испытывать дефицит в азоте и фосфоре, который приведет не только к ухудшению биометрических показателей всходов, но и падению резистентности к фузариозу.

При инфицировании происходило накопление азота во всех органах устойчивых всходов. Даже при снижении био-

массы вследствие перенесенного заболевания, количество азотистых соединений на массу органа было большим, чем у контрольных растений.

\

Концентрация фосфора в клетках инфицированных устойчивых всходов сосны была выше, чем у здоровых растений. Особенно велики различия в гипокотилях и корнях. • общее количество фосфорных соединений в органах устойчивых всходов было меньший в силу снижения роста. Только в месте непосредственного контакта с патогеном - в гипокотиле - оно оставалось на уровне контрольных значений.

В отличие от азота и фосфора, не только вынос калия из субстрата, но и его концентрация у устойчивых всходов ниже, чем у здоровых. По-видимому, при высокой плотности

популяции патогена в почве микоюксины фузария способны действовать опосредовано, угнетая поступление ионов калия в клетки растений (Pavlovkin et al,1986).

Восприимчивые к фузариозу всходы сосны накапливали значительно больше азота в гипокотилях и корнях, чем устойчивые и здоровые не инфицированные. Поскольку гифы тиба нарушают транспортные функции проводящей системы, основная часть азотистых соединений накапливается в пораженных органах (гипокотилях и корнях). Концентрация азота в клетках восприимчивых всходов была в 2 раза выше, чем у устойчивых, и в 3 раза выше, чем у контрольных незараженных растений. При этом, растущие ассимилирующие органы испытывали дефицит азота (до 80% о.- контроля). Блокирование проводящей системы гифами фузария резко снижало поступление фосфора и калия в надземные органы растений.В корнях восприимчивых всходов накапливалось на 30» больше фосфора, чем у контрольных. Поглощение калия корнями ингибировалось.

Глава 5. ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ИХ РОЛЬ В УСТОЙЧИВОСТИ ВСХОДОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ К ФУЗАРИОЗУ

Фенольные соединения - активные метаболиты, участвующие в синтетических и энергетических процессах растительной клетки, регуляции деятельности ферментов и гормональном обмене растений (Запометов,1987,1989; Кефели, Протасова,1988; McClure,1979). Среди мно гочисленных функций фенолов особо выделяют их роль п устойчивости к грибным заболеваниям (Frierd,1979; Mace,1989; Gottstein, Gross,1992).

Состав фенольных соединений хвойных исследован достаточно хорошо (Иванова и др.,1975; Тюкавкина и др.,1977; Шеин и др., 1986; Forrest,197S; Gross,1977; Stafford, Lester,19S6; и др.), однако, данных об их динамике у проростков и всходов сосны крайне недостаточно. Относительно роли фенолов в постинфекционных защитных реакциях сосны обыкновенной данные, практически, отсутствуют .

Фракционный анализ экстрагируемых фенолов проростков и всходов сосны показал, что для всех органов характерны прос-

тые фенолы (оксикоричные и оксибензойные кислоты, их спирты и альдегиды), флавоноиды и проантоцианидины. ВЭХХ продемонстри-роаала большее разнообразие фенольных веществ в семядолях 10 - дневных проростков сосны по сравнению с осевыми органами. В семядольных листочках зарегистрировано 21, в гипокотилях -17, в корнях - 14 эндогенных соединений фенольной природы. Среди них идентифицированы галловая, протокатеховая и параок-скоензоякая кяслоты.

Образование определенных классов фенольных соединений детерминировано процессами роста и дифференциации клеток (Вараксина,1986; НаЩЬгоск.ОгггеЬасЬ,1979). Изменения соотношения различных групп фенолов хорошо продемонстрированы на примере гипокотиля - органа, первым начинающего вторичный рост. Вместе со снижением концентрации экстрагируемых общих фенолов, в клетках гипокотиля накапливаются свободные проанто-цианидины и связанные с клеточной стенкой полифенолы (неэкст-рагируемые проантоцнанидины и лигнин) (табл.1). Содержание флавоноидов, высокое и довольно стабильное в первые полторы недели вегетации, резко падает к концу второй недели, после которой наблюдается накопление проантоцианидинов и лигнина.

Таблица 1

Динамика содержания не.экстрагируемых полифенолов в гипокотилях формирующихся всходов сосны обыкновенной, мг/г

абс.сух.массы

Возраст, недель Проантоцнанидины Лигнин

1 17.81t0.56 0.161+0.015

2 18.6б±0.66 0.165+0.012

3 19.68+0.25 0.18810.018

4 26.53+0.40 0.210+0.014

Содержанию лигнина в клеточных стенках растений придается большое значение в устойчивости к сосудистым патогенам (Stafford, 1988). Синтез этого полимера начинается после завершения фазы растяжения клеточной стенки (Marigo,Boudet,1980), и максимальные его количества характерны для зрелых тканей (Gro3s,1977) Нами показано, что динамика накопления лигнина в первые четыре недели вегетации в гипокотиле положительна, однако, даже в стволиках четырехнедельных всходов его количество незначительно (табл.1).

Проантоцнанидины, локализованные в вакуоле в свободной форме или, подобно лигнину, способные связываться с углеводными компонентами клеточной стенки, активно синтезируются в первый месяц вегетации сосны обыкновенной, мг/г абс.сух.массы:

свободные связанные

3-х-дневный проросток 0.82+0.10 13.58+0.11

40- дневный всход 2.63+0.14 38.97+0.82

Вероятно, высокое содержание связанных с клеточной стенкой проантоцианидинов, характерное для гипокотилей ювенильных сеянцев хвойных (Stafford et al,1989), частично компенсирует недостаточную лигнифицированность органа.

Активизация фенольного обмена в ответ на заражение расценивается как активное сопротивление инфекции (Pegg,1983; Gottstein, Gross,1992). После инфицирования проростков сосны обыкновенной, содержание экстрагируемых общих фенолов во всех органах устойчивых растений возрастало, коррелируя с величиной инфекционной нагрузки. Качественный состав фенольных соединений устойчивых и не инфицированных контрольных проростков сосны был идентичен, но при этом наблюдались значительные количественные различия (табл. 2).

Таблица 2

Влияние заражения фуэариозом на содержание экстрагируемых фенолов в органах устойчивых с заболеванию проростков сосны

обыкновенной, S от контроля N — .

Соединений Семядоли Гипокотилн Корни

4 153.9 233.3

б 121.0 9 114.3

10 151.5

11 107.3

12 156.5

13 49.0 1066.7 20 156.2

23 136.8

24 122.0

26 174.9

27 166.7

28 123.5 141.0

30 128.7 128.6

31 97.9

Фракционирование фенольных соединений и регистрация спектров поглощения позволили установить, что в органах устойчивых проростков сосны накапливались простые фенолы и флавоноиды. Идентификация показала, что у резистентных к фузариозу проростков сосны возрастало количество оксибензойных кислот (параоксибензойной и особенно протокатеховой), в X к не зараженному контролю:

семядоли

гипокотиль

корень

протокатеховая 229.7 187.1 247.4

параоксибензойная 155.0 191.7 114.7

Особенностью проявления устойчивости осевых органов инфицированных растений являлось накопление связанных проантоцианиди-нов, ыг/г абс.сух. массы (в числителе - контроль, в знаменателе устойчивые растения):

экстрагируемые гипокотнли 2.16±0.01

чеэкстрагируемые 21.00+0.56

2.62+0.02

25.93+1.00

корни

2.50+0.08 1 .43+0.03

7.27+0.43 9.9410.38

Глава 6. ВЛИЯНИЕ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН НА РОСТ И УСТОЙЧИВОСТЬ ВСХОДОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ К З-УЗАРИОЗУ

Предпосевная' обработка семян сосны обыкновенной исследуемыми соединениями привела к повышению длины охвоенной части сеянцев при равном с контролем числе хвоинок и увеличению биомассы листовых органов. Продуктивность их работы (Редько и др., 1983) была максимальной при замачивании семян в 0.1% растворе мочевины. Данный способ подготовки семян к посеву вызывал формирование Более массивного стволика. Так, биомасса гипокотилей 40-дневных всходов сосны составляла, мг абс.сух. вещества:

контроль 0.15» р-р мочевины 0.05% р-р СиБ04

5-4±0.3 5.8±0.05 4.2±0.3

Диаметр корневой шейки в конце первого месяца и первого срока вегетации, им:

0.60+0.02 0.64+0.02 0.61±0.0 2

0.90+0.06 1.10+0.06 - 0.80+0.05

Влажность стволика, по динамике Которой можно судить о степени развития органа, в данном случае снижалась за первый месяц вегетации в 1.7 раза по сравнению со снижением в 1.4 раза в остальных вариантах опыта.

Наиболее существенными потери от фузариеза в питомнике были при обработке семян медным купоросом (62.5% за вегетационный период). Лучшую сохранность посевного материала (39.7% отпада) обеспечила обработка семян мочевиной. По нашему мнению, меньшая устойчивость всходов при использовании сернокислой меди обусловлена ее стимулирующим эффектом на линейный рост гипокотилей. Нами показано, что при усилении роста гипокотилей в длину снижается резистентность растений (степень пораженности посевов с коэффициентом 0.83 коррелировала с показателями длины стволиков).

Влияние стимуляторов на физиологию всходов проявлялось в том, что при обработке семян мочевиной в гипокотилях накапливалось большее количество леэксграгнруемых полифенслов. Если лигнина к 4 неделе вегетации содержалось 105% от контроля, то проантоцианиди-ны, обеспечивающие устойчивость формирующихся всходов, к концу первого месяца вегетации в 1.3 раза превысили контроль.

При искусственном инфицировании проростков сосны более устойчивыми были растения, выращенные из обработанных мочевиной семян. У резистентных растений в ответ на заражение накапливались экстрагируемые фенольные соединения (123-130% от контроля в надземных органах и 225% в корнях).

Глава 7. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УСТОЙЧИВОСТИ ФОРМИРУЮЩИХСЯ ВСХОДОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ К ФУЗАРИОЗУ

Проростки и зсходы сосны уязвимы для сосудистой инфекции вследствие своих анатомо-морфологических и физиолого-биохимиче-скнх отличий от взрослых деревьев. Слаболигнифицированные клеточные стенки не представляют существенного препятствия для ферментов гриба, а высокая насыщенность клеток углеводами и аминокислотами (Перетятко,Седова, 1983, 1987; Кудашова,Осетрова, 1985; McCracken, 1979; Haissing, 1984) повышает привлекательность молодых растений, используемых патогенами как питательный субстрат. Хотя с первых дней вегетации в гипокотилях проростков происходит синтез лигнина, обусловленный дифференциацией ксилемы, его уровень невысок, на три порядка ниже, чем у взрослых деревьев. Высокая оводненность проростков и всходов сосны также облегчает проникновение патогена. Наиболее богат влагой в первые недели развития гипокотиль, что способствует его колонизации.

Новообразования и рост органов требуют весомых энергетических и материальных затрат, которые реализуются на первых этапах онтогенеза за счет резервов мегагакетофита семени, а после выхода проростка на поверхность почвы - посредством поглотительной деятельности корней и фотосинтеза семядолей (Веретенников, 1986, 1989; Marshall,Kozlowsky,1974; Ekwebelam, Reid, 1984). Невысокие ресурсы минеральных соединений, в особенности, азота, расходуются на первые этапы морфогенеза.

При этом необходимые макроэлементы начинают активно пополняться за счет поглощения корнем еще на стадии подземного роста. Таким образом, у сосны обыкновенной, вероятно, существует переходная стадия миксотрофного питания, когда развитие осуществляется посредством утилизации фондов семени и поглощения макроэлементов.

Семядольные листочки хвойных выполняют исключительно фотосинтетическую функцию. Именно продуктивность листовых органов и деятельность корней обеспечивает автотрофное питание и рост растений, проявляющийся в значительном увеличении биомассы (до 30 раз у корней и 15 раз у листьев) за первые пять

15

недель вегетации. Развитие органов и накопление в них азота, фосфора и калия коррелирует с возрастанием сухого вещества. Гипокотиль формирующегося всхода растет медленнее, но в связи со специфическими функциями (Измайлов,1986) обогащен азотистыми соединениями, что существенно повышает его привлекательность для патогена.

В основе нарушений метаболизма при фуэариозе лежит блокирование проводящей системы растения мицелием фузария. У инфицированных проростков сосны азот и фосфор сосредотачиваются в осевых органах, вызывая дефицит в листьях. Формирование первичной хвои при этом угнетается, что приводит к снижению фотосинтеза и ослаблению всхода.

Устойчивые проростки сосны не проявляют визуальных симптомов фузариоза. Однако, реализация защитных реакций приводит к торможению роста и снижению выноса макроэлементов из субстрата.

Реакции резистентности формирующихся всходов сосны связаны с активизацией фенольного метаболизма, следующей за проникновением патогена в покровные ткани. Это подтверждается повышением концентрации экстрагируемых фенолов во всех органах устойчивых растений. Особенностью осевых органов резистентных проростков является накопление связанных с клеточной стенкой неэкстрагируемых проантоцианидинов. Предположительно, эти соединения компенсируют недостаток лигнина в стволиках при ферментативной атаке Ьатогена. Предположение подтверждается связью насыщенности гипокотилей проростков сосны проантоцианидинами с устойчивостью к фузариозу.

Упрощенно участие фенольных соединений в реакциях резистентности в зависимости от их строения и компартментализации можно представить следующим образом: 1) создание физических фермент-резистентных барьеров для продвижения гиф патогена; 2) реализация реакции сверхчувствительности; 3) инактивация ферментов и продуктов жизнедеятельности гриба. Во всех перечисленных реакциях могут принимать участие лроантоцианидины (Hunter, 1974; Vance et al, 1980; Pegg, 1983). Разрушейие клеточной стенки и взаимодействие гриба с клеточным содержимым вовлекают в защитные реакции локализованные в вакуоле фено-льиые соединения. Фенолкарбоновые кислоты активно синтезируются в клетках инфицированных устойчивых проростков, снижая агрессивность ферментативной атаки гриба и предохраняя от окисления ИУК и клеточное содержимое (Рихтер, 1987; Bell, 1980, 1981; Mace, 1989). Флавоноидные соединения, накапливаемые растениями в процессе реализации реакций резистентности, по-видиыому, участвуют в энергетическом метаболизме и синтезе постинфекционных агентов (Музаф&ров, Кожокару, 1987; Bak.er et al, 1989). Таким образом, все группы исследованных фенолов могут выступать на любых этапах патологического процесса как факторы, сдерживающие его развитие. Это позволяет резистент-

ныц растениям избегать колонизации проводящей системы и вызываемых ею необратимых нарушений жизнедеятельности.

Устойчивость формирующихся всходов сосны снижается при нарушениях агротехнических приемов, одним из наиболее частых проявлений которых является избыточное внесение в почву азотных удобрений. Высокие дозы азота приводят к дефициту азотистых и фосфорных соединений в активно растущей первичной хвое за счет накопления в гипокотилях и корнях. Это не только снижает ассимиляционную активность листовых органов, но и создает дополнительные предпосылки для инфицирования.

При посеве хвойных в питомниках важным представляется выбор способа предпосевной подготовки семян, поскольку вызываемая рядом микроудобрений стимуляция роста не всегда сопровождается повышением сопротивляемости инфекционным заболеваниям. Наиболее эффективным для роста, развития и устойчивости сеянцев сосны к фузарнозу было применение 0.1" раствора мочевины. Повышение резистентности в данном случае определялось более высокой степенью развития гипокотнля, о чем свидетельствовали меньшая оводненность, больший диаметр корневой шейки и синтез неэкстрагируэмых полифенолов. Накопленне связанных проантоцианндинов ко второй неделе вегетации обеспечивало большую устойчивость всходов. При этом происходило ингибирование линейного роста стволиков.

Проведенные исследования показывают, что для повышения устойчивости формирующихся всходов сосны обыкновенной к фузарнозу перспективно применение соединений, ограничивающих линейный рост стволиков и стимулирующих лигнификацию, что ускоряет становление факторов прединфекционной устойчивости.

Дальнейшие исследования фенольного обмена резистентных к сосудистой инфекции проростков и всходов сосны обыкновенной позволят расширить представления об участии вторичных метаболитов в защитных реакциях, включая и синтез фитоалексинов, и сделают возможным применение знаний в практических целях.

ВЫВОДЫ

1. Ранний ювенильный этап онтогенеза сосны обыкновенной включает периоды формирования проростка из зародыша семени и становления всхода, характеризующегося появлением первичной хвои. Интенсивный рост и морфогенез до выхода проростка на поверхность почвы обеспечиваются способностью корня пополнять быстро исчерпывающиеся минеральные ресурсы семени, в особенности, азота. Эта стадия смешанного (миксотрофиого) питания приводит к растяжению и росту гипокотиля и выносу семядолей на поверхность почвы.

2. В первый месяц вегетации проростки и всходы отличаются высокой оводненностью тканей, активным ростом и, коррелнру-

юцим с увеличением биомассы органов , накоплением азота, фосфора и калия. Гипокотиль формирующихся всходов слабо лиГнифицирован и обогащен азотистыми соединениями, что создает предпосылки для инфицирования.

3. Проростки и всходи сосны обыкновенной характеризуются интенсивным синтезом проантоцианидинов. Накопление простых фенолов и флавоноидов в первые недели вегетации связано с ростовой активностью органов и стадией развития растения.

4. Проросткам и всходам сосны свойственно высокое содержание связанных с клеточной стенкой неэкстрагируемых проантоцианидинов, которые при недостаточной лигнифицированности осевых органов, по-видимому, выполняют не только опорно-механическую, но и защитную функции.

5. Устойчивость формирующихся всходов сосны к фузариозу сопряжена с повышением содержания экстрагируемых фенолов во всех органах. Спецификой защитных реакций осевых органов является накопление неэкстрагируемых проантоцианидинов.

6. Реакции устойчивости приводят к изменению распределения макроэлементов в органах формирующихся всходов. В связи с этим при выращивании сеянцев в питомниках необходимо создание оптимальных трофических условий. Избыточный азотный фон снижает устойчивость посевов и повышает риск заболевания за счет угнетения роста первичной хвои, пониженного поглощения калия корнями и нарушения оттока азота, фосфора и калия из корней и гипокогилей.

7. Для повышения качества сеянцев сосны обыкновенной перспективна обработка семян 0.1% раствором мочевины, повышающая устойчивость всходов вследствие снижения линейного роста гипо-котилей, накопления в их клеточных стенках проантоцианидинов и ускорения лигнификации.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. ¡¡Гнбистова О.Б. Влияние заражения фузариоэом на рост и минеральное питание проростков сосны обыкновенной // Проблемы лесовосстановления в таежной зоне СССР / Тез.докл.Всес.конф.-Красноярск,1933.- С.263-264.

2. Шибистова О.Б. Особенности роста и развития здоровых и зараженных фузариозои проростков сосны обыкновенной при различном уровне азотного питания // Молодые ученые - лесному хозяйству / Тез.XI Всес.конф. - Пушкино,1988.- С.50-51.

3. Шибистова О.Б. Рост и устойчивость проростков сосны обыкновенной к фузариоэу // Проблемы физиологии и биохимии древесных растений / Тез.докл.III Всес.конф. - Петрозаводск, 1989.- С.258-260.

4. Шибистова О.Б. Рост и формирование защитной системы проростков сосны обыкновенной // Изучение лесных биогеоценозов.

- Красноярск,1989.- С.54-56.

5. Шибистова О.Б. Влияние фузариоза на рост, развитие и состав фенольных соединений проростков сосны обыкновенной// Экофизиология хвойных / Тез.докл.Междунар.сиып.- Абакан,1991.

- С.142-143.