Сигнальная регуляция ответных реакций растений на гетерогенное распределение элементов минерального питания

Иванов, Игорь Игоревич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Сигнальная регуляция ответных реакций растений на гетерогенное распределение элементов минерального питания
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Сигнальная регуляция ответных реакций растений на гетерогенное распределение элементов минерального питания"

На правах рукописи

Чц

ИВАНОВ ИГОРЬ ИГОРЕВИЧ

СИГНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОТВЕТНЫХ РЕАКЦИЙ РАСТЕНИЙ НА ГЕТЕРОГЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

Специальность 03.01.05 - Физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Уфа-2013

2 4 ОКТ 2013

005535535

Работа выполнена в лаборатории физиологии растений Федерального бюджетного учреждения науки Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Научный консультант:

Трапезников Валентин Кузьмич, доктор биологических наук, профессор, Институт биологии УНЦ РАН, гл. научн. сотрудник лаборатории физиологии растений

Официальные оппоненты:

Шакирова Фарида Миниихановна, доктор биологических наук, профессор, Институт биохимии и генетики УНЦ РАН, зав. отделом физиологии растений

Чиков Владимир Иванович, доктор биологических наук, про-

фессор, Казанский институт биохимии и биофизики КНЦ РАН, зав. лабораторией продукционных процессов растений

Янбаев Юлай Аглямович, доктор биологических наук, про-

фессор, Башкирский государственный аграрный университет, зав. научно-образовательным центром

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится «14» ноября 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.11 в Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, биологический факультет БашГУ, ауд. 332.

Факс (347) 273-67-78, email: disbiobsu@mail.ru Официальный сайт БашГУ: http://www.bashedu.ru/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан « Z » 0JsfJj?gp# 2013 г.

Ученый секретарь 11 ¡^

диссертационного совета, д.б.н. 'VР М.Ю. Шарипова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Минеральное питание является одним из наиболее важных факторов внешней среды, от которого зависит рост и развитие растений. Поэтому не удивительно, что в основе зеленой революции, обеспечившей резкое возрастание продуктивности растений в середине 20 века, лежит интенсивное применение удобрений (Sakamoto, Matsuoka, 2008; Gewin, 2010). Вместе с тем, судя по некоторым публикациям, для роста и развития растения важен не только уровень содержания элементов питания в почве, но и их распределение (Hodge, 2004; Richardson et al., 2005; Ruffel et al., 2008; Biedrzycki et al., 2010). Известно, что почва гетерогенна по многим физико-химическим и биологическим параметрам, в том числе и по содержанию пищевых ресурсов. В естественных сообществах очаги повышенного содержания ионов возникают в результате разложения органических остатков растений, животных и микроорганизмов (Hodge, 2004), а также за счет конкуренции за элементы питания (Semchenko et al., 2007). В зонах повышенной концентрации ионов отмечается активное ветвление корней (Zhang et al., 1999; Forde. 2002; Ruffel et a., 2008), но механизм этого эффекта и его влияние на поглощение ионов, рост и развитие растений активно дискутируются (Hodge et al., 2009; Richardson et al., 2009). Приспособительное значение активации роста корней в зоне с повышенной концентрацией ионов кажется очевидным. Многие исследователи пишут о том, что именно ростовая реакция корней обеспечивает эффективное поглощение ионов из очага их повышенной концентрации (Fransen, 1999; Bingham, 2001; Pierik et al., 2007; Pages, 2011). Вместе с тем, появились публикации, в которых это утверждение обсуждают и критикуют (Jaskcon, Caldewll, 1996; Robinson, 1996; Hodge, 2010). В частности, подвергается сомнению, что (1) неравномерное распределения ионов повышает поглотительную способность растений и стимулирует рост целого растения, (2) что активация роста корней в зоне с высокой концентрацией ионов важна

для поглощения макроэлементов. В то же время, ответы на многие вопросы были получены путем анализа реакции растений на неравномерность распределения ионов, искусственно создаваемую локальным распределением удобрений, приводящим к формированию в ограниченном объеме почвы зон с высоким содержанием ионов, во взаимодействие с которыми вступает лишь часть корневой системы растения (Трапезников, 1983, 1992; Соколов., Семенов, 1992; Вильдфлуш и др., 2005; Ладонин и др., 2005; Цыганов и др., 2006; Вильдфлуш и др., 2008; Schnier et al., 1993; Pettersson, 2008). Физиолого-биохимические аспекты положительного влияния локального питания на рост и продуктивность растений до сего времени остаются недостаточно изученными. Более того, имеющиеся в литературе данные порой носят противоречивый характер. В полной мере это относится и к активации ветвления корней в зоне повышенного содержания ионов.

Участие гормонов в стимуляции ветвления корней в очаге высокого содержания ионов предполагалось на основе опытов с мутантными растениями с пониженной чувствительностью к тому или иному гормону, либо способностью к их синтезу. Были получены косвенные свидетельства возможного участия гормонов в ростовом ответе на локальное питание: стимуляции ветвления под влиянием ауксинов (Forde, 2002) и подавления - под влиянием АБК (De Smet et al., 2003). Однако до начала наших исследований влияние локального питания на содержание гормонов в растениях не изучалось. Ограниченность подхода к изучению влияния на растения гетерогенного распределения элементов минерального питания проявляется также в том, что основное внимание уделялось процессам, которые происходят в корнях, функционирующих в зоне с повышенной концентрацией ионов, т.е. локальным процессам. Хотя при их обсуждении и применялся термин системного действия (Forde, 2002), имелось в виду лишь то, что тотальное повышение концентрации ионов в среде подавляет ветвление корней за счет системного действия на все растение в целом (в связи с повышением концентрации макроэлементов в побеге), в то время как локальное повышение концентрации

ионов стимулирует ветвление. При этом стало довольно популярным мнение о том, что предпосылкой для усиления ветвления корней в зоне с повышенной концентрацией ионов является их дефицит в побеге (Zhang et al., 1999, Ruffel et al., 2008). В связи с изложенным представляется актуальным изучение влияния гетерогенного распределения элементов минерального питания не только на функциональную активность корней высокосолевого статуса (ВС), но и его системное действие на жизнедеятельность целого растения.

Цель работы состояла в изучении механизмов локальной и системной регуляции роста, развития и устойчивости растений при гетерогенном распределении элементов минерального питания в среде. В соответствии с заданной целью были поставлены следующие задачи:

1. Выявить роль корней высокосолевого (ВС) и низкосолевого (НС) статуса в регуляции поглощения элементов минерального питания, роста и продуктивности растений.

2. Оценить значение локального и системного действия фитогормонов на рост и развитие корневой системы в условиях гомогенного и гетерогенного распределения элементов минерального питания.

3. Выявить связь локального распределения элементов минерального питания и присущих ему морфологических особенностей корневой системы с устойчивостью растений к дефициту воды.

4. Изучить влияние гетерогенности минерального питания на реакцию растений на дополнительные обработки как проявление системного действия локального питания.

5. Установить роль гормональных корневых сигналов в системном действии на растения локального распределения элементов минерального питания.

6. Оценить значение гормонального статуса растений в регуляции фотосинтеза, донорно-акцепторных отношений и продуктивности растений в условиях локального питания.

7. Оценить связь степени отзывчивости сортов пшеницы на локальное размещение элементов питания с морфофизиологической реакцией их корневой системы.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

• Очаги повышенного содержания ионов в среде выступают как фактор регуляции ростовой, поглотительной и метаболической активности корней высокосолевого и низкосолевого статусов. В данных условиях четко проявляется эффект относительной функциональной специализации прядей корней: высокосолевые корни вносят основной вклад в обеспечение побега ионами, аминокислотами, фитогормонами; низкосолевые — водой.

• Системное действие неоднородности минерального питания на формирование корневой системы заключается в усилении линейного роста корней вне очага питания (низкосолевые), активации притока ассимилятов в корни, их роста и развития и перераспределения массы в пользу корневой системы. Активация удлинения корней и развития корневой системы в целом обеспечивает повышение засухоустойчивости растений.

• Локальное действие высокой концентрации элементов питания приводит к оптимизации горомонального статуса растений. На начальных этапах онтогенеза активация ветвления ВС корней определяется повышенным содержанием ауксинов и активным поступлением в них фотоассимилятов, что обеспечивает повышение эффективности поглощения ионов, активацию роста и увеличение продуктивности растений при локальном внесении удобрений.

• Системное действие локального питания на уровне целого растения (активация ключевых физиологических функций: роста и развития, фотосинтеза, транспорта веществ и их отложения в запасающих органах, донорно-акцепторных взаимодействий) связано с сигнальной функцией цитокини-нов и АБК, синтезируемых в корнях, и повышением их поступления в побег с ксилемным током.

Научная новизна. Впервые показано, что активация ветвления части корневой системы в зоне повышенной концентрации элементов минерального питания связана с опережающим накоплением в них ауксинов. Накопление АБК в этих корнях происходит позже и в меньшей степени, что препятствует проявлению ее ингибирующего действия на ветвление корней. На начальных этапах онтогенеза гетерогенное распределение элементов питания приводит к активации роста корневой системы и изменению соотношения массы корней и побега в пользу корней, в то время как гомогенное повышение концентрации элементов питания приводит к противоположной реакции. Активация роста корней, не вступающих в контакт с очагом питания, связана со снижением в них концентрации цитокининов. Показана роль относительной специализации корневых прядей при локальном питании в продукционном процессе и его устойчивости к засухе, которая проявляется как в морфологических (длина корней), так и функциональных особенностях НС корней (дифференциации потоков воды). Выявлено системное действие корневых гормонов в условиях локального размещения элементов питания, проявляющееся в усилении притока АБК и цитокининов из корней и их действии на фотосинтез и донорно-акцепторные отношения.

Научно-практическая значимость работы. Выявлены механизмы влияния неравномерного распределения макроэлементов в почве на поглощение ионов, рост и развитие корневой системы, фотосинтез, продуктивность и устойчивость растений, которые реализуются с участием гормональных сигналов. Показано, что в отличие от традиционного разбросного внесения удобрений локальное его распределение не приводит к относительному подавлению роста и развития корневой системы и тем самым обеспечивает повышение устойчивости растений к засухе. Результаты углубляют представления о механизме действия на растения локального минерального питания и роли гормональной системы в его реализации, что имеет важное значение для понимания процессов, обеспечивающих получение стабильного

урожая в изменяющихся условиях обитания. Разработана модель (гидропоническая культура) для быстрой диагностики отзывчивости сортов к локальному внесению удобрений. Результаты работы используются при обучении студентов кафедры физиологии растений БашГУ (частично включены в учебное пособие «Гормоны и адаптация растений к условиям обитания» Уфа: РИО БашГУ, 2003.).

Связь работы с плановыми исследованиями и научными программами.

Исследования проводились в рамках планов НИР лаборатории физиологии растений Института биологии УНЦ РАН: «Оптимизация и стабилизация продукционного процесса растений в условиях стресса уровнем минерального питания и регуляторами роста» (1996-1998), «Исследование системы регуляции концентрации фитогормонов как фактора интеграции растительного организма» (1999-2003), «Механизмы передачи сигналов между органами растения и согласования процессов, обеспечивающих рост и водный обмен в изменяющихся условиях внешней среды» (2004-2006), «Регуляция роста и водного обмена растений в изменяющихся условиях внешней среды» (2007-2009).

Исследования были выполнены при поддержке грантов РФФИ, в которых автор был исполнителем № 99-04-49291-а - "Изучение механизма участия гормонов в быстрой передаче сигналов по растению"; 03-04-49780-а -"Роль гормональных сигналов в реакции растений на дефицит воды и минерального питания"; 00-04-48856-а "Изучение механизма регуляции цитоки-нинами донорно-акцепторных отношений на модели г>г-трансгенных растений"; 05-04-50824-МФ_а - "Влияние условий среды корнеобитания на содержание и метаболизм цитокининов в растениях"; 05-04-97900-р - "Оценка динамики показателей водного обмена как новый подход к изучению адаптивного потенциала сортов пшеницы, районированных в РБ"; 06-04-49166-а -"Взаимодействие гормонов в процессе формирования корневой системы растений"; 08-04-97021-р - "Особенности адаптивных реакций различных сор-

тов яровой пшеницы и ячменя, районированных в Республике Башкортостан"; 09-04-00942-а - "Гормональная регуляция соотношения массы побега и корня как важного адаптивного признака растений"; 11-04-97023-р - "Физиологические подходы к повышению засухоустойчивости зерновых культур и отбору засухоустойчивых форм"; 12-04-01111-а - "Особенности роста и развития корневой системы при разных уровнях дефицита воды и их связь со способностью корней поглощать и проводить воду" и руководителем — 10-04-97020-р - "Механизм действия и эффективность приемов, направленных на повышение продуктивности и устойчивости растений в условиях Республики Башкортостан"; а также гранта Лондонского королевского общества (2004) и программ ГНТП АН РБ.

Декларация личного участия. Автором была определена тема исследования и проведен подбор экспериментальных моделей. Часть результатов, представленных в 1-2 главах диссертации получены в совместной работе с к.б.н. В.П.Усовым, к.б.н. Г.Р.Ахияровой и д.б.н. Л.Б.Высоцкой. Автору принадлежит замысел и окончательный текст диссертации. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены более чем на 30 конференциях, наиболее важные из которых: III, IV, VI и VII съезды обществ физиологов растений (Москва, 1997, 1999; Сыктывкар, 2007; Нижний Новгород, 2011), всероссийский симпозиум «Растение и стресс» (Москва, 2010), Международная научн. конференция «Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений» (Екатеринбург, 2008), 1-3-я всеросс. конф. «Иммуноаиализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии» (Уфа, 1990-2000).

Публикации. По теме диссертации опубликованы более 50 работ, в том числе монография и учебное пособие, 22 статьи в научных журналах,

рекомендованных ВАК РФ для защиты докторских диссертаций, и 15 статей в крупных региональных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 384 страницах машинописного текста (включая иллюстрации и список литературы) и состоит из введения, обзора литературы, 4-х глав экспериментальной части, заключения и выводов. В работе представлено 54 таблицы и 105 рисунков. Список литературы включает 547 наименований, из них 393 иностранных.

Благодарности. Автор благодарит м.н.с. Н.Л.Анохину, Н.Г.Тальвинскую и Г.В.Шендель за участие в проведении экспериментов, д.б.н. С.Ю.Веселова и д.б.н. Л.Б.Высоцкую за ценные советы, рекомендации и методическую помощь, д.б.н. В.К.Трапезникова и д.б.н. Г.Р.Кудоярову за чуткое руководство и предоставление условий для выполнения экспериментов, а также весь коллектив лаборатории физиологии растений за помощь и всестороннюю поддержку.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследования были более двух десятков сортов яровой мягкой (Triticum aestivum L.) и твердой пшеницы (Triticum durum Desf.), кукуруза (Zea mays L.), томаты (Solanum lycopersicum L.), соя (Glycine max L.), генномодифицированные (ipt-ген) и ^трансформированные растения табака (Nicotiana tabacum L.) и проростки арабидопсиса (Arabidopsis thaliana L.) в зависимости от конкретных задач.

Полевые опыты проводили на выщелоченном черноземе Южной лесостепи Башкортостана. Пахотный слой почвы характеризовался следующими показателями: содержание гумуса - 7-10%, азота и фосфора соответственно 0,40-0,44 и 0,18-0,20%, подвижного фосфора и обменного калия соответственно 5-12 и 10-15 мг на 100 г почвы, pH солевой вытяжки - 5,5-6,0; сумма поглощенных оснований - 42,3-50,7 мг-экв на 100 г почвы.

В полевых опытах яровую пшеницу выращивали на делянках площадью 8-10 м2. Нитрофоску вносили из расчета 60-70 кг д.в./га равномерно перед предпосевной культивацией или лентами на глубину 8-10 см с межленточным расстоянием 15 см. Семена высевали перпендикулярно лентам удобрения. В шикрополевых - на делянках с учетной площадью 0,25 м2 вразброс с последующим рыхлением почвы (0-10 см) и лентой в середину 15-см междурядий на глубину 10 см с помощью специального шаблона. Опыты закладывали в 4-6-кратной повторное™. Учитывали урожай пшеницы и определяли элементы его структуры по выборке 80-120 растений . Для определения содержания фитогормонов в органах пшеницы отбирали пробы по 10-20 растений в каждой.

Обработку растений пшеницы регуляторами роста проводили в период кущения: картолином и аминной солью 2,4-Д из расчета 2 кг/га, хлорхо-лшгхлоридом — 4 кг/га. Некорневую подкормку мочевиной (30 кг/га) проводили в цветение, суперфосфатом в три срока: кущение, колошение, начало формирования зерна из расчета в сумме 30 кг/га. Гуматом натрия семена обрабатывали из расчета 0,1 кг/га, вегетирующие растения - 0,03 кг/га. Закалку семян проводили по методу П.А. Генкеля (Генкель, 1956).

В вегетационных опытах проростки кукурузы и томатов высаживали на перегородку в двухсекционные сосуды и выращивали на почвеннопесча-ной (2:1) смеси. Нитрофоску из расчета 0,3 г д.в./кг субстрата вносили, равномерно перемешивая со всем объемом, или то же количество удобрения заделывали в одном из отсеков сосуда сплошным экраном на глубине 10 см. Измеряли объем ксилемного экссудата и массу надземных органов растений. Повторность опыта составляла 10-12 прядей каждого солевого статуса.

В лабораторных экспериментах пшеницу проращивали на плотиках на дистиллированной воде в течение 3-5 суток. За сутки до постановки опьгта проростки переводили в сосуды для изолированного питания на разбавленную питательную смесь Хогланда-Арнона 1 (Х-А) с полной дозой микроэлементов (Гродзинский, Гродзинский, 1973). Через сутки у части сосудов в од-

1 i

ном из отсеков (гетерогенная среда) или во всем сосуде (гомогенная среда) увеличивали концентрацию питательного раствора Х-А при неизменном содержании микроэлементов. Растения выращивали на светоплощадке с лампами ДРЛФ-400 и ДНАТ-400 с освещенностью 16-18 КЛк и 16-часовой продолжительностью светового дня. Учитывали массу надземной части растений и корневых прядей разного солевого статуса. Анализ на ФГ проводили в 3-5 повторениях по 6-12 растений в каждом.

Семена табака (Nicotiana iabacumL., cv. Petit Havana SR-1) и его трансгенной линии, у которой экспрессия ipt гена запускалась промотором, чувствительным к тепловому шоку (Schnelling et al. 1989) проращивали в темноте при 27 °С на влажной фильтровальной бумаге в течение семи дней. Затем растения табака выращивали в отдельных сосудах с почвеннопесчаной (1:2) смесью при 12-часовом световом дне, освещенности 16-18 КЛк и температуре 24/18 °С. Начиная с момента появления трех листьев растения подвергали тепловому шоку в течение двух недель, ежедневно помещая их на полтора часа в термостат при температуре 41,5 °С (контрольные - при 24°С).

Растения арабидопсиса выращивали 10 суток при 25°С на агаровой среде В5 (Zhang, Forde, 1998) в чашках Петри, расположенных вертикально (Zhang et al., 1999). Затем перемещали проростки со среды с высоким содержанием нитрата (50 мМ) на низкую концентрацию (1 мМ) (контрольные растения пересаживали на среду с тем же содержанием нитрата - 50 мМ). Содержание ИУК в корнях и побегах анализировали через сутки.

Сбор пасоки с прядей корней разного солевого стату са растений томатов и кукурузы осуществляли по ранее разработанной методике предварительного разделения корневой системы томатов (Трапезников, 1983).

Содержание элементов питания, белка в растительном материале и клейковины в зерне определяли с использованием компьютерно-аналитической системы с инфракрасным анализатором NIR SCANNER 4250 (США); аминокислот - на автоматическом анализаторе ААА-881 (Чехия).

Для изучения усвоения растениями углекислоты и азота, их транспорта и распределения использовали метод радиоактивных (ЫС02) и стабильных (1SN) изотопов. Радиоактивность проб растений определяли на установке с малым фоном для измерения бета-активности УМФ-1500М (СССР), изотопное обогащение (I5N) - на спектральном анализаторе производства НИИ физики Ленинградского государственного университета.

Число боковых корней и примордиев боковых корней определяли при помощи микроскопа после фиксации корней по Кларку в смеси этилового спирта с ледяной уксусной кислотой (3:1) и окрашивания ацетокармином (Площинская и др., 2002).

Транспнрацию определяли: в лабораторных опытах, сравнивая убывание объема питательного раствора в градуированных сосудах с растениями и контрольных (без растений); в вегетационных опытах в баланс-сосудах — весовым методом, учитывая разницу и по массе между отсеками.

Гидравлическую проводимость корня рассчитывали по формуле: (Lpr) по аналогии с законом Ома рассчитывали по формуле: Lpr = Jv / (OI's-Ч'1)Р), где Jv - поток воды через корни, Р - вес корней, vFs и Ч'1 - водный потенциал питательного раствора и листа соответственно (Bunce, Ziska et at., 1998). Водный потенциал листьев оценивали с помощью психрометра (PSYPRO, Wescor, USA). Осмотический потенциал питательной среды (X-А) определяли по точке замерзания с помощью осмометра (Camlab Limited, Cambridge, UK).

Для определения содержания гормонов в тканях растительный материал гомогенизировали и экстрагировали 80%-ным этанолом. Спиртовый экстракт центрифугировали и супернатант упаривали до водного остатка. Экстракцию и фракционирование кислых гормонов (ИУК и АБК) проводили с уменьшением объемов растворителей модифицированным методом (Veselov et al., 1992). Количество цитокининов, содержащихся в пасоке растений или в водном остатке после спиртовой экстракции, а также выделенной

ИУК и АБК оценивали с помощью твердофазного иммуноферментного ана-

лиза (Кудоярова и др., 1988,1990). Иммуногастохимическую локализацию ИУК и АБК проводили с использованием специфических антител к гормонам с последующим связыванием с меченными коллоидным золотом иммуногло-буллинами и обработкой препаратом серебра ("Bio Cell", Англия) для усиления окрашивания (Веселов, 1998).

Гндротермическнй коэффициент (ГТК) определяли отношением суммы осадков (R) в мм за период со среднесуточными температурами воздуха выше +10 °С к сумме температур (VT) за это же время, уменьшенной в 10 раз, т. е. ГТК = XR/£0,1 Т>10оС (Селянинов, 1937; Сиротенко, Павлова, 2012).

Статистическую обработку данных проводили во всех экспериментах. Показатели продуктивности, полученные в полевых условиях, подвергали дисперсионному анализу для рандомизированных повторений. Усредненные по сортам данные подвергали попарному t-тесту. Для статистической обработки данных и регрессионного анализа использовали встроенные функции MS Excel и средства MS Analysis ToolPack.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Локальные реакции в зоне с повышенной концентрацией макроэлементов и их значение для роста и продуктивности растений

В литературе широко обсуждается неравномерность распределения элементов минерального питания в почве и усиленное ветвление корней в зонах их повышенной концентрации (Hodge, 2004; Ruffel et al., 2011; Bazihizina et al., 2012). Предполагается, что активное ветвление способствует более эффективному захвату элементов питания растением. Но не все авторы полностью согласны с этим предположением и дискуссии продолжаются (Richardson et al., 2009). При этом, обычно обсуждается влияние гетерогенного распределения элементов питания лишь на развитие корней и поглощение ими ионов, но не его действие на растение в целом. Между тем на протяжении десятилетий практикуется метод локального внесения удобрений, положительно сказывающийся на продуктивности растений. Нами также показано, что в очаге с

повышенной концентрацией удобрений при их локальном размещении происходит усиленное ветвление корней (рис. 1). Таким образом, локальное внесение удобрений является удобной моделью для изучения механизма действия на растения нерав номерного (гетерогенного) распределения элементов минерального питания в почве. При изучении выноса растениями азота и фосфора удобрений из почвы и их накопления в растениях на фоне локального и разбросного внесения удобрений нами показано, что гетерогенное распределение повышает усвоение элементов минерального питания по сравнению с равномерным (рис. 2).

Рнс. 1. Ветвление корней у растений кукурузы (А) и пшеницы (Б) при локальном распределении МРК: ВС -пряди, контактирующие с очагом удобрения, НС — корни вне очага.

;вразброСлокальновразброслокальна

Таев^ит

Т.Ьигит

_ Фосфор

1 щ

ш ш Ш В ш.

вразброс; локальневразброс локально

Т.аевШит

Т.Ьигит

Рис. 2. Влияние способа размещения удобрения (вразброс, локально) на вынос элементов питания (г/и2) с урожаем яровой пшеницы, % к варианту без удобрения. Усредненные данные по 10 сортам мягкой и 5 сортам твердой пшеницы. Статистически различающиеся значения обозначены различными буквами (Р>0.951.

1 ч Экспозиция 24 ч Равномерное питание

В экспериментах с неравномерным внесением удобрений было показано усиление поглощения I5N по сравнению с вариантом, где элементы питания равномерно перемешивали с почвой (рис. 3).

Таким образом, нами получено экспериментальное подтверждение того, что усиленное ветвление корней в очаге питания увеличивает способность корней поглощать азот, что подвергалось сомнению на основе математического моделирования этого процесса (Robinson, 2001). Оценка скорости роста в длину и накопления сухой массы растений на стадии 2-3 листьев (рис. 4) показала, что локальное внесение удобрений активирует рост побега по сравненшо с их традицион-

Гетерогенное питание

□ Побег

Рис. 3. Накопление азота ("N3 растениями пшеницы с разделенной корневой системой при равномерном и гетерогенном питании, мг. При гетерогенном питании метку вводили в ВС корни.

ным внесением вразброс и, поскольку рост зависит от обеспеченности растений элементами питания, эти результаты также подтверждают повышенную способность растений усваивать элементы питания при их локальном внесении. Многолетние исследования, которые проводили на не-

III IV

фаза развития

I) III IV V VI фаза развития

Рис. 4. Влияние способа размещения удобрения (вразброс, локально) на высоту и массу растений пшеницы Безенчукская 139. I - фаза 2-3 листьев, скольких десятках сортов, Н - кущение, III - начало трубкования, IV - конец

трубкования, V - колошение, VI - цветение.

показали, что локальное внесение удобрений повышает урожайность растений по сравнению с внесением такого же их количества вразброс (рис. 5).

14 -

„-13

■

вразброс¡локально Т.аез^ит

вразброс!локально I Т. durum j

Рис. 5. Влияние удобрения и способа его размещения (вразброс, локально) на массу побега и урожай зерна яровой пшеницы, % к варианту без удобрена. Усредненные данные по 10 сортам мягкой и 5 сортам твердой пшеницы. Статистически различающиеся значения обозначены различными буквами (Р>0.95).

Отзывчивость разных сортов на локальное внесение удобрений была неодинаковой (табл. 1).

Таблица 1. Влияние способа внесения 5'добрения (вразброс, локально) на урожай зерна и его прибавку от применения удобрения (НСР - наименьшая существенная разность для соответ-

Сорт Масса зерна, г/м2 Прибавка от удобрения. % ± от локального способа по

Без удобрения ИРК вразброс NPK локально МРК вразброс МРК локально сравнению с разбросным, %

Г.аеяйгит Башкирская 24 Воронежская 12 Казахстанская 10 Космид 2 Иргина Нива 2 Омская 20 Саратовская 62 Терция

Шортаидинская 125

369.8 392,7 408,3 249,0 311,6 295,0 322,0 339,0 332.3

314.9

494.5

467.0 549,8

347.1

439.6 406,4 483,4

527.2

445.7 430,1

558,6 548.1 574,1

354.0

538.6

441.7

541.1 520,9 425,7 464,9

33,7 18,9

34.7

39.4 41,1

37.8 50,1

55.5 34,1

36.6

Т. durum

51.0 39,6

40.6 42.2 72,8

49.7 68,0 53,7

28.1 47.6

13,0

17.4 4,4 2,0

22.5 8,7 11,9 -1,2 -4,5 8,1

Безенчукская 139 335,5 506,5 541,8 51,0 61,5 7,0

Безенчукский янтарь 324,2 526,4 498,9 62,4 53,9 -5,2

Саратовская золотистая 376,9 532,7 560,9 41,3 48,8 5,3

Харьковская 23 387,1 516,2 645,5 33,4 66,8 25,0

Харьковская 46 355,2 456,7 517,8 28,6 45,8 13.4

НСР05 42,0

Наши результаты и данные литературы свидетельствуют о важности стимуляции ветвления корней в очаге для оптимизации поглощения ионов, активации роста и повышения урожайности растений. Поэтому необходимо было вьиснить, каким образом регулируется ветвление корней в очаге питания. Поскольку изучать рост корней в почве трудно технически, была предпринята попытка имитировать влияние гетерогенности среды на рост корней в гидропони-ческой культуре. Корневую систему разделяли между двумя отсеками, один из которых заполняли питательным раствором Хогланда-Арнона с высокой концентрацией солей (далее эти корни условно будут обозначаться как ВС - высокосолевые), а другой - разбавленным раствором (НС - низкосолевые корни). Путем варьирования концентрации растворов в отсеках было подобрано их оптимальное соотношение (500% раствор - ВС корни и 1% - НС), которое обеспечивало усиленное образование боковых корней в отсеке с более концентрированным питательным раствором (рис. 6). Как видно из рисунка, при этом соотношении низкосолевые

корни на 4-5 сутки еще практически не ветвились. Также подобрано соотно-

5 сут

Рис. 6. Корни твердой пшеницы (Т. durum) сорта Бе-зенчукская 139 при выращивании на градиенте концентраций питательной среды Хогланда-Арнона: ВС:НС=300:5 (я), ВС:НС=700:5 (б), ВС:НС=500:1 («) в течение 2-5 суток

шение числа ВС и НС корней (рис. 7), при котором наблюдали максимальный ростстимулирующий эффект от разделения корней между контрастными растворами. Эти результаты, с одной стороны, подтверждают, что подобранные нами условия постановки опытов с расщепленной корневой системой в гидропонической культуре адекватно отражают реакцию растений на локальное внесение удобрений в почву. С другой стороны, они свидетельствуют о возможности изучения на этой модели механизмов влияния локального питания на рост корней и регуляцию этого процесса.

В литературе крайне мало сведений о том, как сказывается уровень и характер распределения минерального питания на содержании эндогенных фитогормонов. Большинство данных были получены в экспериментах с мутантными растениями или с применением экзогенных гормонов. Известна способность ауксинов стимулировать рост боковых корней (см. ссылки обзора Teale et al., 2005). Характерная для исходной формы растений арабидопсиса стимуляция ветвления корней в области с локальным повышением концентрации нитратов отсутствовала у нечувствительных к ауксин)' мутантов (Forde, 2002), что косвенно указывало на участие ауксинов в локальном корневом сигаалинге. Также было показано, что подавление притока ауксинов из побега с помощью ингибитора их транспорта подавляло ростовую реакцию на локальное повышение концентрации ионов (Guo et al., 2005). Однако прямое определение уровня ауксинов в корнях растений при локальном питании до начала наших

опытов не проводили. Для того, чтобы проверить предположение о роли аук-

золотистая

Рис. 7. Зависимость высоты побега от числа (метки данных от 0 до 5) зародышевых корней растений пшеницы, 14 суток контактирующих с раствором повышенной концентрации (ВС корни). Здесь и далее: бары на гистограммах соответствуют стандартному отклонению, ЭО.

синов в ростовом ответе корней на локальное питание, мы сравнили динамику образования боковых корней и содержания ауксинов в ВС и НС корнях растений пшеницы. Одновременно в этих же корнях был проведен анализ динамики содержания АБК, поскольку считается, что этот гормон может выступать в качестве антагониста ауксинов в регуляции роста корней при локальном повышении концентрации нитратов (ветвление усиливалось у дефицитного по АБК мутанта (81дпога е4 а1., 2001)).

Количество примордиев боковых корней в ВС корнях резко возрастало на третий день после начала локального воздействия и было в 2 раза больше, чем в НС корнях (рис. 8). На четвертые сутки появлялись боковые корни, которых также было больше у ВС корней (рис. 9).

|10

=Г

-ВС т

«I

0 12 3 4 Время воздействия, сут Рис. 8. Число примордиев на зародышевых корнях пшеницы Безенчукская 139 при гетерогенном питании. ВС -высокосолевые, НС- низкосолевые корни.

16 14

12 10

>5:

со

|8 ><

-О ~

16 о ю

о 4

О "2

— ВС 1 .....НС #

я » »

# » / * ---,-

0 12 3 4 Время воздействия, сут Рис. 9. Число боковых корней на зародышевых корнях пшеницы Безенчукская 139 при гетерогенном питании. ВС - высокосолевые, НС- низкосолевые корни.

Содержание ИУК в ВС корнях, уже через сутки было существенно выше, предшествуя появлению боковых корней (рис. 10). На вторые сутки содержание ауксинов в ВС корнях достигало максимума (почти в 4 раза больше, чем в НС) и до конца эксперимента оставалось на более высоком уровне:

в 3 раза выше, чем в НС-корнях (рис. 10). Наряду с этим нами обнаружено быстрое накопление АБК в ВС корнях. Содержание АБК в них было в среднем в 1,5 раза выше, чем в НС корнях (рис. 11). 10 ■

£ 6 в.

§4

)

-ВС .....НС

/г<

\ *« )

—— ВС .....НС

0 12 3 4 Время воздействия, сут

Рис. 10. Содержание ИУК в корнях пшеницы Безенчукская 139 при гетерогенном питании. ВС - высокосолевые, НС- низкосолевые корни.

0 12 3 4 Время воздействия, сут Рис. 11. Содержание АБК в корнях пшеницы Безенчукская 139 при гетерогенном питании. ВС - высокосолевые, НС- низкосолевые корни.

Иммуногистохимическое окрашивание срезов корней на ауксины и АБК показало присутствие обоих гормонов в примордиях боковых корней (рис. 12). Однако, по мере роста примордиев уровень гормонов изменялся. На более ранней стадии интенсивнее было окрашивание на ауксины, которое ослабевало по мере их роста. Иммуногистохимическое выявление АБК с помощью специфических антител показало обратную картину - относительно слабое окрашивание более молодых примордиев и постепенное усиление окрашивания по мере их роста. Иммуногистохимическое окрашивание на ИУК и АБК соответствовало результатам количественного определения гормонов в высокосолевых корнях, в которых было гораздо больше боковых корней. В них максимум ауксинов наблюдался раньше, чем максимум АБК.

Максимум содержания ИУК (рис.10) предшествовал появлению примордиев на сутки (рис.8), что близко ко времени их формирования и может

Рис. 12. Иммуно-гистохимическая локализация ИУК и АБК в примор-диях корней растений пшеницы на разных стадиях развития с помощью антител к этим гормонам. Световая микроскопия.

Штю

40-44 мм

от кончика корня

свидетельствовать о рис. и. Иммуно- ИУК

взаимосвязи этих процессов. Содержание ИУК в корнях коррелировало с интенсивностью закладки приморди-

ев (и содержание 20-24 мм

гормона, и число примордиев в ВС корнях были заметно выше по сравнению с НС).

Повышение уровня АБК не приводило к достовер- 16-20 мм ному снижению соотношения ИУК:АБК в ВС корнях по сравнению с низкосолевыми благодаря более выраженному накоплению в них ИУК. Этим, видимо, можно объяснить отсутствие ингибирующего действия АБК на ветвление ВС корней.

Результаты, полученные в наших экспериментах, свидетельствуют о том. что неравномерность распределения ионов в среде приводит к повышению уровня абсцизовой и индолилуксусной кислоты в корнях, функционирующих в непосредственном контакте с очагом повышенной концентрации элементов минерального питания. Причем в большей степени возрастает содержание ИУК. Такая комплексная гормональная реакция на повышенную концентрацию элементов питания в почве способствует стимуляции ветвления корней и. в конечном счете, более эффективному использованию ресурсов питания.

шт

28-32 мм 44-48 мм

от кончика корня

■в -в

0,5

J_I_L.

2. Действие локального повышения концентрации ионов на устойчивость растений пшеницы к засухе

Оценка зависимости урожайности растений от уровня осадков в разные годы вегетации показало, что действие локального внесения удобрений не сводится только к оптимизации поглощения ионов и субстратной u 20/5 31/6 10/6 20/6 ж т т 31/7 ю/8

(трофической) регуляции. Наиболее рис. 13. Изменения среднего значения коэффициента корреляции (Л) продуктивно-сильная связь, о которой судили ПО сти яровой пшеницы с ГТК за период до

даты, обозначенной на горизонтальной коэффициенту корреляции, была заре- оси.

гистрирована между продуктивностью растений яровой пшеницы и гидротермическим коэффициентом (ГТК.) в середине вегетационного периода (в конце июня) (рис. 13). Поэтому именно в этот период изучали связь между урожайностью и ГТК при разных способах внесения удобрений. Как видно из рис. 14, степень снижения продуктивности растений при уменьшении ГТК была ниже у растений на фоне локального внесения удобрений по сравнению с разбросным. Поскольку считается, что внесение удобрений как таковое повышает засухоустойчивость (Grindlay, 1997; Hammer et at., 2010). мы сравнили уровень продуктивности растений. выращенных без удобрений и на фоне их разбросного внесения при разных уровнях влагообеспеченности (рис. 15). Как и ожидалось, засуха снижала продуктивность растений, и она была выше в варианте с внесением

:-25

Без удобрения

Локально

Вразброс

0,5

1,0

Гидротермический коэффициент Рис. 14. Зависимость урожая пшеницы Московская 35 от ГТК на конец июня, при разных способах внесении удобрения.

удобрений как на фоне засухи, так и в ее отсутствие. Однако при расчете степени снижения продуктивности под влиянием засухи (% от уровня продуктивности при нормальной влагообеспеченности - показатель засухоустойчивости (или чувствительности к засухе (Бетепоу, На№огс1, 2009)) оказа-

Без удобр. Вразброс Локально

Рис. 15. Усредненная продуктивность и ее относительное снижение от засухи 9 сортов пшеницы, выращиваемых без удобрений и при их разбросном и локальном внесении в сухие и влажные годы. Статистически различающиеся значения обозначены различными буквами (Р>0.95).

лось, что внесение удобрений вразброс снижает их устойчивость к засухе (рис. 15) (данные по контрастным годам за последние 25 лет на более чем двадцати сортах приведены в диссертации). Нами обнаружена обратная зависимость между отзывчивостью растений на разбросное внесение удобрений в относительно влажные годы и засухоустойчивостью различных сортов пшеницы (рис. 16).

"1 2 3 Прибавка от равномерного удобрения в благоприятных условиях % от урожая без удобрения

Рис. 16. Корреляция между прибавкой урожая зерна во влажные годы со степенью снижения урожая удобренных растений от засухи. Достоверность линейной регрес-4 сии Р> 0,999.

Увеличение длины корней и соотношения массы побега и корня в пользу корневой системы считается важным механизмом повышения засухоустойчивости растений (Witcombe et а!., 2008; Semenov and Halford, 2009; Fischer and Ed-meades, 2010). Как видно из рис. 17, повышение уровня минерального пита-

ния для всей корневой системы обеспечивало относительное подавление роста корней, проявлявшееся в снижении соотношения массы корня и побега. Это можно объяснить подавлением донорной функции листа под влиянием повышенной концентрации нитратов (БсЬеМе е1 а1., 1997; Баташева и др., 2007). Подобная реакция и могла быть причиной снижения засухоустойчивости растений под влиянием разбросного внесения удобрений. Крайне важно то, что торможение роста корней не проявлялось при гетерогенном распределении элементов питания в среде (рис. 17).

генное генное генное генное генное генное генное генное генное Х-А% 5 152 300/5 Х-А% 5 152 300/5 Х-А% 5 152 300

Рис. 17. Масса побега и корней и их соотношение через 14 дней после размещения 4-дневных проростков пшеницы на гомогенном и гетерогенном питании. Х-А% - концентрация питательной смеси Хогланда-Арнона. Статистически различающиеся значения обозначены различными буквами (Р>0.95).

Неравномерное распределение элементов питания стимулировало удлинение корней, приводило к активации их роста в целом и повышению соотношения массы корня и побега). Развитие корней при локальном питании напоминало их реакцию на дефицит минерального питания. Известно, что растения одинаково реагируют на дефицит воды и макроэлементов (и в том, и другом случае происходит относительная активация роста корней (Chapín, 1990)), что указывает на сходство механизмов устойчивости к обоим этим факторам среды (Jescbke et al., 1997; Wittenmayer, Merbach, 2005). Знаменитая «зеленая революция» была основана на применении больших доз удобрений и отборе растений по их надземной массе (Den Herder et al., 2010). В результате произошел отбор растений со слабо развитой корневой системой (Waines, Ehdaie, 2007), что отрицательно сказалось на их засухоустойчивости, и привело к

мнению о необходимости «зеленой революции под землей» (6е\мп, 2010). Судя по нашим данным, это упущение может быть компенсировано локальным внесением удобрений, которое активирует рост корневой системы. Учитывая важность влияния минерального питания на соотношение массы побега и

корня, рассмотрим подроонее этот вопрос.

§35

|зо

__Саватовская

I "золотистая

^йрькрвская.23_

1П________Саратовская..

■ | золотистая

„Харьковская 23.

¡20-в

10+

Ь !

_ Г > ГП т

: ;

■

! У/ ;--КЙ

! ^ ; ЛШ"

ВС ВСНС НС

Гомо- Гетеро- Гомо- Гомо- Гетеро- Гомогенное генное генное генное генное генное

ВС ВСНС НС ВС ВСНС НС

Гомо- Гетеро- Гомо- Гомо- Гетеро- Гомогенное генное генное генное генное генное

Рис. 18. Длина корневой пряди (А) и сухая масса корней (Б) растений пшеницы после 14 суток выращивания при гомогенном и гетерогенном питании. ВС - 300%; Х-А НС - 5% Х-А

На модели с гидропонической культурой (рис. 18) хорошо видна важная особенность НС корней растений в варианте с неравномерным распределением элементов минерального питания. Они не только длиннее ВС корней гетерогенного варианта, но длиннее и больше по массе корней НС - гомогенного варианта. Таким образом, локальное повышение концентрации ионов также оказывало влияние на массу и длину корней, находящихся в растворе с низкой концентрацией солей, т.е. системное действие. Большую их массу по сравнению с вариантом с равномерным распределением низкой концентрации элементов питания легко объяснить эффектом субстратной регуляции - поступлением ионов из ВС пряди. В качестве регуляторов длины корней могли выступать гормоны. Как видно из рис. 19, в НС корнях растений варианта с гетерогенным питанием уровень цитокининов был не только

ниже, чем в ВС корнях того же варианта, но и ниже, чем в корнях растений проираставших в условиях

НС гом. Гетер. ВС гом.

Рис. 19. Концентрация цитокининов в корнях пшеницы через 7 суток выращивания на гетерогенной (Гетер.) и гомогенной (Гом.) питательной среде: ВС - высокосолевые корни (300% Х-А). НС -низкосолевые корни (5% Х-А).

гомогенной высокосолевой и низкосолевой среды.

Известно, что цито-кинины тормозят удлинение корней (Киаска е! а\., 2009), предположительно за счет стимуляции продукции этилена (Сагу е4 а\., 1995). Сравнение уровня ЦК и длины корней растений свидетельствует о возможной роли пониженного содержания этих гормонов в НС корнях в ускорении их линейного роста. Изучение реакции растений пшеницы на разбавление питательного раствора показало сходную реакцию: снижение содержания цитокининов и стимуляцию удлинения корней (Уув^зкауа е( а1., 2009).

С длиной НС корней, причем на ранних этапах онтогенеза, тесно связана отзывчивость растений на локальное размещение удобрений (табл. 2), что позволяет рекомендовать этот показатель для быстрой оценки отзывчивости сортов к локальному внесению удобрений.

Таблица 2. Коэффициент корреляции (г) отзывчивости сортов яровой твердой пшеницы на локальное внесение удобрения с параметрами роста

Показатель отзывчивости Длина НС пряди Длина НС пряди Длина ВС пряди Сырая масса НС корней Сырая масса ВС корней

Процент прибавки урожая

зерна от локализации >№К по сравнению с разбросным способом 0,892 0,781 0,813

Активация удлинения корней вне очага минерального питания при локальном внесении удобрений может приводить к повышению способности растений поглощать воду из нижних слоев почвы, когда верхние слои пересыхают во время засухи. Тем самым, обеспечивается повышение засухоустойчивости растений при локальном внесении удобрений. Таким образом,

О 2 4 6 8 10 12 14 О 2 4 6 8 10 12 14 Время воздействия, сут Время воздействия, сут

- - - - Гетерогенная среда ВС корни -Гомогенная ВС среда

....... Гетерогенная среда НС корни -Гомогенная НС среда

Рис. 20. Динамика потребления воды корнями растений пшеницы сортов Воронежская 12 и Саратовская 62 при гетерогенном и гомогенном распределении элементов питания. (ВС - 300%; Х-А НС - 5% Х-А).

гетерогенность минерального питания приводит к функциональной специализации высокосолевой пряди на поглощении ионов, а низкосолевой - на поглощении воды. Представляло интерес выяснить, связана ли эта функциональная специализация с какими-то иными факторами, кроме увеличе-__, ния длины корней. С этой целью мы

1 Время^воздействия, сут ? сравнили поглощение воды корнями

Рпс. 21. Гидравлическая проводимость из отсека с низкой и высокой концен-проростков пшеницы Саратовская золотистая на гетерогенном питании (2 высо- трацией ионов (рис. 20). В гидропо-

косолевых - ВС, 300% Х-А, и 3 низкосо-

„;, со/ „ , ническои к\ льтуре длина корней, как

левых коиня — НС. 5% Х-А. 'r г '

таковая не могла быть решающим фактором в способности корней поглощать воду. Тем не менее, определяющий вклад НС в обеспечении растения водой проявлялся и в гидропонической культуре (через них поступало до 80 % воды). Осмотический потенциал питательного раствора в области НС корней был выше, чем в случае ВС (-0,005 и -0,201 МПа соответственно). Это означает, что при водном потенциале листьев (в среднем -0.34 МПа), гради-

- О 4-

ент водного потенциала между ВС корнями и побегом был в 2-3 раза ниже, чем в случае НС корней. Этим можно объяснить больший поток воды через НС корни. Расчет гидравлической проводимости показал, что, начиная с шестых суток эксперимента, она была выше в низкосолевых корнях (рис. 21). Неожиданной оказалась повышенная гидравлическая проводимость ВС (по сравнению с НС) корней в начале локального воздействия солей (в первые пять суток, рис. 21). По мнению 51еис11е (2000), ветвление корней может способствовать повышению гидравлической проводимости, что соответствует нашим данным о большей гид-

равлической проводимости у более сильно ветвящихся ВС корней. Однако в первый день мы даже не обнаружили увеличения числа примордиев боковых корней (рис. 8). Известна способность АБК активировать

0 6 30

Время воздействия, ч

Рис. 22. Концентрация абсцизовой кислоты в корнях пшеницы (Безен-чукская 139) при создании гетероге-нитета повышением концентрации питательной смеси в одном из отсеков сосуда: ВС - 300% X-А, НС - 5% Х-А. В контроле концентрацию не меняли -НС

С Гомоген.

водные каналы и гидравлическую проводимость (ТагсПеи е! а!., 2011; Кис1оуагша е( а1., 2010). Оценка быстрой гормональной реакции на локализацию ионов (рис. 22) показала повышенный уровень АБК в ВС корнях в течение первых 6 часов после начала эксперимента, что указывает на возможную роль этого гормона в повышении гидравлической проводимости в первые сутки локального воздействия солей.

В обзорах по водным каналам растений говорится о том, что снижение активности аквапоринов в очаге с высокой концентрацией токсичных солей ограничивает их поступление в растение с транспирационным потоком (Маи-ге! е( а1., 2010). Судя по нашим данным, в очаге с элементами питания происходит обратное, и повышение гидравлической проводимости обеспечивает приток ионов в корни. Очевидно, растение способно различать как токсичные, так и необходимые ему ионы.

Таким образом, локальные и системные реакции в зоне корней обеспечивают оптимизацию снабжения растений не только элементами питания, но и водой. Далее важно было проанализировать, как гетерогенное распределение ионов в среде обитания корней влияет на процессы, протекающие в других частях и органах растения и, в конечном итоге, сказывается на росте, развитии и продуктивности растений.

3. Роль поступающих из корней ЦК и АБК сигналов в регуляции фотосинтеза, транспорта ассимилятов и отзывчивости растений на дополнительные воздействия при гетеро- и гомогенном распределении элементов питания

Анализ блока данных по признаку величины урожая, полученных на ряде сортов яровой пшеницы, показывает, что на фоне локального внесения удобрений вероятность получения достоверных изменений в урожае зерна от дополнительных воздействий (в частности, от некорневой подкормки) в два раза ниже, чем при разбросном способе, в том числе изменений со знаком ''минус" - даже более чем в два раза (табл. 3). Сходные результаты были получены и по такому признаку, как масса 1000 зерновок. Доля достоверных изменений всех учитывавшихся показателей на семи сортах яровой пшеницы составила по фону без удобрения 31,7%, при разбросном внесении ЫРК — 36,9% и локальном - 28,1%, при объеме выборки более 200 опытов по каждому уровню питания.

Таблица 3. Доля случаев достоверного влияния дополнительных воздействий (подкормки азотом, фосфором, применение физиологически активных веществ, закалка семян) на урожай и массу зерновок яровой пшеницы,

%____

... „ _ _ Фон питания

без удобрения | МРК вразброс ! ЫРК локально Урожай зерна

Всего по 5 сортам 21 32 16

с + эффектом 12 12 7

с — эффектом 9 20 9

Масса 1000 зерновок

Всего по 5 сортам 52 41 23

с + эффектом 20 9 7

с -эффектом 32 32 16

Примечание. Объем выборки по каждому фону питания для урожая зерна — 82, для массы 1000 зерен - 44 опыта.

Изменение отзывчивости на дополнительные воздействия таких интегральных показателей как урожай зерна, указывает на поступление из корней неких- сигналов, изменяющих функционирование растения в целом. Судя по данным литературы (Davies et al., 2005), такую роль в растении могут играть гормоны цитокинины и АБК, поскольку корни способны их синтезировать (Parry, Horgan, 1991; Miyawaki et al., 2004). Постановка опыта, при которой корни растений кукурузы разделяли на две секции и собирали пасоку отдельно из НС и ВС прядей, позволила проанализировать вклад ВС и НС корней в обеспечение побега гормонами. Измерение концентрации цитокининов и АБК в пасоке растений и скорости потока ксилемного сока из корней на стадиях развертывания верхнего листа, выметывания метелки и цветения початка показало, что неравномерное распределение минерального питания повышало приток гормонов из корней (рис. 23). При этом основной вклад в обеспечение побега гормонами вносит ВС прядь.

Результаты по АБК, подобные нашим, были получены при изучении действия на растения частичного полива, при котором корни разделяли между двумя отсеками, из которых поливали только один (Zhang, Davies, 1989). Неравномерный полив, как и, в нашем случае, неравномерное распределение макроэлементов, повышал концентрацию АБК в ксилемном соке, что авторы интерпретировали как корневой сигнал о подсыхании почвы, который распространяется на дальние расстояния (из корня в побег). Одно из возражений

этой гипотезе заключалось в том, что в этих опытах оставалось неясным, за

Гом.

фаза развития

ill

Рпс. 23. Количество абсцизовой кислоты и цитокининов, поступающих из корней с пасокой кукурузы за 4 часа при гетерогенном (Гет.) и равномерном (Гом.) распределении удобрения в почве. I - развертывание верхнего листа, II - выметывание метелки, III — цветение початка.

счет какой пряди повышается концентрация АБК. В наших опытах разделение корневой системы позволило собирать ксилемный эксудат отдельно из каждой пряди и получить ответ на этот вопрос. Как видно из рис. 24, приток АБК и цитокининов шёл в основном из высокосолевой пряди.

Рис. 24. Концентрация абсцизовой кислоты и цитокининов в пасоке кукурузы, собранной с корневых прядей разного солевого статуса: 1 - высокосолевые, 2 - низкосолевые и 3 - корни растений при равномерном распределении удобрения в почве. I -развертывание верхнего листа, II -выметывание метелки, III - цветение початка.

С. Уилкинсон и В. Хартунг, обобщая данные литературы о влиянии уровня нитратов на рост и содержание гормонов, описали 2 сочетания гормональных сигналов: при оптимальном уровне питания - повышение уровня ЦК и снижение уровня АБК. При дефиците и избытке минерального питания наоборот - снижение уровня ЦК и повышение уровня АБК (Wilkinson, Härtung, 2009). Нами же выявлено уникальное сочетание сигналов при гетерогенном распределении минерального питания: - повышение уровня и ЦК и АБК. Оно одновременно обеспечивает повышение и роста и устойчивости растений.

В тот период, когда были получены эти результаты, предположение о том, что среда обитания корней влияет на продукцию АБК, вызвало возраже-

ния, поскольку в то время (конец восьмидесятых) считалось, что АБК не может синтезироваться в корнях. Однако данные Parry и Horgan (1992) показали способность корней синтезировать АБК. Известна способность АБК закрывать устьица (см. ссылки Кефели и др., 1989; Mansfield, McAinsch, 1995). На этом основании была сформулирована гипотеза о сигнальной функции АБК, индуцирующей закрытие устьиц при почвенной засухе. В наших опытах мы также зарегистрировали усиление притока АБК из корней под влиянием локального питания, однако снижения эвапотранспирации за счет закрытия устьиц не было зарегистрировано (табл. 4). Наоборот, уровень этого показателя был выше на фоне гетерогенного распределения NPK (по сравнению с гомогенным).

Известно, что усть- Таблица 4. Эвапотранспирация растений яровой пшеницы (баланс-сосуды, начало трубкования), г сосуд'1 д '

Применение NPK

ичная проводимость зависит не только от АБК,

гомогенное но и цитокининов, спо- локальное

Общее коп-во

Включая

НС

ВС

собных поддерживать 800

НСРо

32.3

42.4 6.6

28.8 13.6 3.2

?600

=400

?200

□ равномерное ¡2 гетерогенное

¡hi

Примечание. В качестве субстрата использовался песок.

НС - низкосолевые корни, ВС - высокосолевые корни.

устьица в открытом состоянии (Оос)с1, 2005). Содержание цитокининов в листьях пшеницы было выше на фоне гетерогенного внесения удобрений по сравнению с разбросным (рис. 25). Эти сведения позволяют объяснить высокий уровень транспирации на фоне локального внесения удобрений тем. что из высокосолевых корней в побег поступало не только больше АБК, но и ее ангагонистов-цитокининов. В

трубкование колошение этом принципиальное отличие гормонального отве-Рис. 25. Концентрация

цитокининов в 3-х верх- та на локальное питание от реакции растении на не-

них листьях пшеницы при н ный полив при котором приток цитоки-

гетерогенном и равно- г

мерном распределении Нинов из корней снижался (Кийоуагсма е4 а1., 2007).

удобрения в почве.

В боковых корнях растений арабидопсиса был зарегистрирован повышенный уровень экспрессии гена изопентенилтрансферазы (Miyawaki et al., 2004). Эти результаты позволяют объяснить повышенное содержание цито-кининов в высокосолевых корнях усилением их ветвления. Вместе с тем, в опытах с равномерным повышением уровня элементов питания в среде было показано, что цитокинины не транспортируются в побеги, для которых при данном воздействии был характерен низкий уровень этих гормонов (рис. 26). Судя по тому, что на гетерогенной среде из ВС корней поступало много ци-токининов, при локальном питании не было блокирования оттока цитокини-нов из корней, в чем его принципиальное отличие от действия гомогенно высокого уровня макроэлементов во всей корневой системе. Таким образом, одновременное с АБК возрастание притока цигокининов на гетерогенной по ЭМП среде обеспечивало поддержание высокого уровня транспирации.

Поддержание устьиц в открытом состоянии важно для протекания нормального газообмена и фотосинтеза. Кроме того, известно, что цитокинины оказывают прямое стимулирующее влияние на фотосинтез (Sakakibara, 2003; Монахова, Чернядьев, 2007). Поэтому важно было оценить влияние локального питания на этот процесс, что было нами сделано в экспериментах с ИС02. Как видно из рис. 27А, гетерогенность повышала уровень ассимиляции углекислого газа. Кроме того, соотношение фотоассимилятов в соломине и трех верхних листьях через 20 мин экспозиции растений в атмосфере меченного углекислого газа было в 2 раза выше на фоне локального внесения NPK (0,09 и 0,18), соответственно. Также накопление метки в корнях растений было почти в 1,5 раза выше на фоне ге-

Побег

g 200 ~ а

=1000 -

Х-А 0.1 1.0 3.0

100

//i

_ |

Корни

Рис. 26. Содержание цитокини-нов в расчете на единицу сырой массы в надземной части и в корнях проростков пшеницы, выращенных на 0,01, 1,0 и 3,0 нормах питательной смеси Хогланда-Арнона I (Х-А).

Равномерно

Гетерогенно

О 3 верхних листа

§500

терогенного питания (рис. 27Б). Все это указывает на усиление оттока ас-симилятов из донорных листьев.

Известна способность нитратов повышать уровень экспрессии генов и активность кодируемых ими ферментов, участвующих в фотосинтезе (Forde 2002). Вместе с тем, в опытах с изолированными листьями кукурузы было показано, что реагируют они не на нитраты, а на цитокинины, повышенный синтез которых нитра-

s о '—

ты индуцируют в корнях (Sakakibara, Равномерно Гетерогенно

Рис. 27 Фотосинтетическое усвоение 2003). Эти данные литературы ука- 14С02 (экспозиция 20 мин) (А) и поступление в корни через 24 ч (Б) Созывают на участие цитокининов в ассимилятов при введении метки в

надземную часть растений пшеницы в нитратном сигналинге и подтвер- фазе трубкования при равномерном и гетерогенном распределении элементов пи-ждают роль ЭТИХ гормонов В стиму- тания, Bq орган '

ляции фотосинтеза при локальном питании.

Повышение уровня цитокининов может влиять на соотношение массы побега и корня (Werner et al., 2010). Эту закономерность подтвердили наши опыты с трансгенными растениями табака, с индуцируемой экспрессией ipt-гена, ответственною за синтез цитокининов. Ежедневная, в течение двух недель, индукция экспрессии этого гена тепловым шоком приводила к повышению соотношения массы побега и корней (рис. 28). Почему же на фоне локального питания, при котором содержание цитокининов возрастало, наблюдалась относительная активация роста корней (которая обсуждалась в предыдущем разделе)? Как и в случае регуляции транспирации, этот феномен можно объяснить параллельным повышением уровня двух гормонов (ЦК и АБК) в растениях на фоне гетерогенного распределения элементов мине-

-П

О)

|ю

о 4 э

о z о

1 -тш

+ ТШ

5ЙЗ

-тш

1 i

+ тш

Нетрансформ. растения

Трансгенные растения

Рис. 28.. Соотношение массы побег/корень ¡рМрансгенных и ^трансформированных растений табака, подвергнутых обработке тепловым шоком (+ТШ) и необработанных (-ТШ). Вероятность различий для значений, которые не содержат одинаковых букв, > 0.95.

рального питания. Как известно, АБК способствует относительной активации роста корней (Vysotskaya et al., 2008).

Открытие АБК бьшо связано с ее способностью ингибиро-вать рост растений (Wright, Hiron, 1967). Отсутствие ингибирующе-го действия на побег ее повышенной концентрации в ксилем-ном соке растений на фоне локального питания можно объяснить антагонистическим влиянием цитокининов, уровень которых также возрастал при данном

воздействии. Вместе с тем, некоторые данные литературы указывают на необходимость пересмотреть взгляды на АБК как на ингибитор роста. Так. было обнаружено подавление роста дефицитных по АБК мутантов, что не бьшо связано с нарушением у них водного обмена (Makela et al., 2003). Была обнаружена способность АБК усиливать донорные функции листа, что может быть связано с ингибированием под ее влиянием апопластной инвертазы (Ji et al., 2011), катализирующей гидролиз сахарозы (основной транспортной формы фотоассимилятов). Эти данные литературы позволяют объяснить относительную активацию роста корней у растений на фоне локального питания повышенной концентрацией АБК, содержание которой в трех верхних листьях растений на стадии выхода в трубку было в 3,3 раза выше на фоне локального внесения удобрений по сравнению с разбросным (95 и 310 нг/г сырой массы при разбросном и локальном внесении удобрений, соответственно).

□ равномерное

гетерогенное

4. Роль гормонов в регуляции продуктивности растений

Локальное питание сказывалось не только на росте (рис. 4), но и продуктивности растений (рис. 5). Поэтому представляло интерес оценить его влияние на содержание гормонов в репродуктивной фазе развития растений.

Иммуноферментный анализ показал, что в период колошения и формирования зерна обеспеченность наиболее активных органов (молодых листьев и колоса) цитокининами была значительно выше у растений на фоне локального внесения удобрения (рис. 29). Такие различия, по всей видимости, могли возникнуть лишь за счет более интенсивного поступления цитокининов из корневой системы, поскольку зерновки, как альтернативные источники этого гормона, еще не образовались. Хорошо известно, что цитокинины необходимы для роста побега (Werner et al„ 2003). Поэтому их повышенным уровнем можно объяснить более активный рост растений на фоне локального внесения удобрений.

Различия между растениями на фоне локального и разбросного внесения удобрений по концентрации цитокининов в колосьях сохранялись и после формирования зерновок (рис. 29). Показано, что цитокинины активируют апопластные инвертазы, стимулируя тем самым процесс разгрузки флоэмы (Roitsch, Ehneii. 2000). У мутантных растений, у которых с помощью специфи-

800

! 600

£ 400

I 200

■

Гет. Гом. листья

Гет. Гом. Гет. Гом.

колос листья

Гет. Гом.

колос

колошение

цветение

Гет. Гом. колос

ювание зерна

Рпс. 29. Концентрация цитокининов в органах пшеницы на поздних этапах онтогенеза в верхних листьях и колосе пшеницы при гетерогенном (Гет.) и равномерном (Гом.) распределении удобрения в почве.

ческих микроРНК снижалась экспрессия гена цитокиноксидазы (фермента, катализирующего распад цитокининов), возрастание содержания цитокининов повышало урожайность за счет количества зерен и их налива (Zalewski et al., 2010). Локальное размещение NPK в наших экспериментах усиливало ростовую функцию растений, повышало их выживаемость и массу зерновок, приводило к достоверной прибавке урожая. Это позволяет предполагать, что при локальном питании более благоприятные условия для перераспределения веществ в зерновки определяются изменениями гормонального статуса растения.

В период формирования и налива зерна в листьях растений при локальном питании становится меньше цитокининов и больше абсцизовой кислоты, чем при равномерном распределении удобрения в почве (рис. 30).

АБК и цитокинины оказывают противоположное действие на активность апопластных инвертаз, катализирующих гидролиз сахарозы (основной транспортной формы фотоассимилятов). Ингибируя активность этого фермента, АБК усиливает отток сахара из донор-ного листа в колос. Было показано, что слабая засуха усиливает отток ассимилятов в колос через накопление в листьях АБК (Yang, Zhang, 2006). Эти результаты хорошо согласуются с фактами повышенной реутилизации веществ из вегетативных органов в зерновки, ускоренного экспорта 14С-продуктов из верхних листьев, наблюдавшегося при локальном питании растений (Трапезников, 1983), и в некоторой степени проясняют механизм образования более

! 40

: 20 "

■10

Т|

АБК ЦК листья

О равномерное й гетерогенное

АБК ЦК колос

Рис. 30. Концентрация абсцизовой кислоты (АБК) и цитокининов (ЦК) в органах пшеницы в период формирования зерна при гетерогенном и равномерном распределении удобрения в почве.

крупных зерновок. Таким образом, действие гетерогенности корнеобитаемой среды на растение пшеницы выражается прежде всего в повышении обеспеченности цитокининами наиболее метаболически активных органов - центров аттракции ассимилятов, что часто приводит к повышению содержания абсцизинов. И тем самым положительно сказывается на росте и продуктивности растения. Представляется, что локальное питание оптимизирует ростовые и синтетические функции, а также донорно-акцепторные отношения в надземных органах растения, влияя на механизм гормональной регуляции.

Полученные нами данные указывают на возможность обратной связи между побегом и корнем при адаптации растений к уровню минерального питания. Характерная реакция растений арабидопсиса на тотально высокую концентрацию нитратов заключается в торможении удлинения боковых корней, а снижение их концентрации стимулирует их удлинение (Forde, 2002). Измерение уровня ауксинов в побегах и корнях показало (рис. 31), что активация роста боковых корней сопровождалось снижением уровня ауксинов в побегах и повышением - в корнях. Эти результаты указывают на то, что ауксины, необходимые для удлинения корней, поступают в корни из побега.

С помощью ингибитора транспорта ауксинов было показано, что активация ветвления корней при локальном действии нитратов также зависит от притока ауксинов из побега (Guo et а!., 2005). Таким образом, те локальные реакции, которые происходят в ВС корнях, на самом деле, зависят от системных сигналов (в частности ауксинов, поступающих из побега).

200

s 150

й 100

□ 50 мМ NO3-Q 1 мМ N03-

I 1

корень побег

Рис. 31. Концентрация ИУК в корнях и побегах арабидопсиса через 24 ч после перемещения части проростков со среды с высоким содержанием нитрата (50 мМ) на низкую концентрацию (1 мМ). Контрольные растения пересаживали на среду с тем же содержанием нитрата (50 мМ).

Заключение.

При произрастании растений на гетерогенной питательной среде из корневой системы в побег поступают сигналы прямо противоположного характера: от ВС корней — об избытке ионов, а от НС - об их дефиците. В таких условиях растение должно создавать опосредованные через побег связи между корнями различного солевого статуса (рис. 32).

Объясняя влияние неравномерного Гомогенная среда Гетерогенная среда

побег

распределения элементов минерального питания в почве, исследователи сконцентрировались на локальной ростовой реак- ["'корни | ВС корни [ | НС корни]

Рос. 32. Взаимодействие корней и ции растений (усиление ветвления корней) побега у растений на гомогенной и

гетегюгенной питательной сг>еле.

и роли этой реакции в поиске растением

элементов питания. Полученные нами результаты свидетельствуют о важности этой реакции в оптимизации поглощения макроэлементов, активации роста и повышении урожайности растений. С помощью количественного анализа и иммуногистохимического изучения распределения гормонов в растении нами показана роль ауксинов в стимуляции ветвления корней при локальном питании и АБК - в транзиторном повышении гидравлической проводимости ВС корней. Вместе с тем, из полученных нами результатов очевидно, что реакция на гетерогенность не сводится к локальной стимуляции процессов в корневых прядях, контактирующих с повышенной концентрацией ионов. Накопление ауксинов в ВС корнях связано с притоком гормона из побега. Системное действие локального питания проявляется в активации линейного роста НС корней и всей корневой системы, что повышает устойчивость растений к засухе. Интенсивный рост корневой системы при локальном питании может быть связан со снижением содержания цитокининов в НС корнях и повышением донорной функции листьев под влиянием увеличения концентрации АБК в ксилемном соке и побеге. Ростовая реакция на гетерогенное питание нивелирует отрицательные последствия применения удобрений, которые при разбросном их внесении вызывают относительное

(по сравнению с побегом) торможение роста корней и снижение засухоустойчивости. Тем самым преодолевается известный эффект отрицательной корреляции между продуктивностью и устойчивостью растений. Дальний сигналинг при локальном питании проявляется в усилении потока цитокини-нов в побег, что способствует активации фотосинтеза, роста побега и оптимизации донорно-акцепторных отношений, обеспечивающих формирование более продуктивных растений.

Таким образом, действие локального питания реализуется на разных уровнях структурно-функциональной организации растений: (1) в ВС корнях, (2) на уровне всей корневой системы и (3) целого растения.

Выводы:

1. Усиленное ветвление корней в очаге с повышенной концентрацией макроэлементов сопровождается активацией поглощения азота и фосфора, роста и продуктивности растений по сравнению с равномерным внесением того же количества элементов питания.

2. Выявлены закономерности гормональной регуляции ростовой реакции высокосолевых корней:

а) Показана связь уровня накопления ауксинов с ветвлением корней: максимальное содержание ауксинов предшествует появлению примор-диев, а максимум окрашивания примордиев па ауксины наблюдается на начальной фазе их формирования. Эта реакция ярче проявляется в высокосолевых корнях.

б) Накопление АБК менее выражено и происходит на более поздних стадиях развития примордия, а максимальное содержание в самом корне следует за пиком ауксинов и не подавляет ветвления.

3. Выявлены особенности влияния общего уровня и распределения элементов питания в среде на рост всей корневой системы растения:

а) В отличие от гомогенного повышения концентрации ионов их неравномерное распределение не вызывает относительного, по сравнению с побегом, снижения массы корней.

б) При локальном питании низкосолевые корни имеют большую длину не только по сравнению с высокосолевыми, но и корнями растений на фоне тотального дефицита ионов, что может быть связано со снижением содержания цитокининов в низкосолевых корнях.

в) Ингибирование линейного роста боковых корней у растений араби-допсиса на фоне гомогенной высокой концентрации нитратов в корне-обитаемой среде связано с уменьшением притока ауксинов из побега в корни.

4. Неравномерное распределение элементов питания стабилизирует показатели продуктивности растений на высоком уровне, снижая отзывчивость растений на дополнительные воздействия: некорневую подкормку азотом и фосфором, обработку регуляторами роста, закалку семян и др.

5. Повышенная устойчивость растений к дефициту воды в условиях неравномерного распределения элементов минерального питания обусловлена активацией роста корней (особенно относительно побега) и их функциональной специализацией: ВС корни вносят основной вклад в обеспечение побега ионами, НС корни - водой.

6. Системное действие локального внесения удобрений проявляется не только в оптимизации минерального питания, но и водного обмена, что связано с повышением притока из корней одновременно цитокининов и АБК.

7. Корневые гормональные сигналы в виде повышенного поступления цитокининов и АБК в побег па ранних этапах онтогенеза способствуют активному усвоению С02, и преимущественному транспорту ассимилятов в корни, а в период отложения запасных веществ - в репродуктивные органы.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Монографии

1. Трапезников В.К., Иванов H.IL, Тальвинская Н.Г. Локальное питание растений. - Уфа: Гилем, 1999. - 260 с.

Учебные пособия

1. Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р., Иванов П.И. Гормоны и адаптация растений к условиям обитания: Учебное пособие для студентов биологических вузов. -Уфа: РИО БашГУ, 2003. - 92 с.

Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ для защиты докторских диссертаций

1. Усов В.П., Иванов ПЛ., Трапезников В.К., Тальвинская Н.Г., Шендель Г.В. Зависимость урожайности и качества зерна яровой пшеницы от условий выращивания на фоне комплекса воздействий в онтогенезе // Агрохимия. - 1988. -№12.-С.46-52.

2. Кудоярова Г.Р., Усманов И.Ю., Гюли-Заде В.З., Иванов ПЛ., Трапезников В.К. Влияние уровня минерального питания на рост, концентрацию цнтокининов и ауксинов в проростках пшеницы // Физиология растений. - 1989. - Т.36, №5. -С.1012-1015.

3. Кудоярова Г.Р., Докичева P.A., Веселов С.Ю., Иванов ПЛ., Трапезников В.К. БАП-индуцированная ростовая реакция пшешщы и эндогенное содержание гормонов, обусловленное уровнем питания // Физиология растений. - 1993. -Т.40, №6. - С.893-897.

4. Ivanov I.I., Kudoyarova G R. and Trapeznikov V.K. The effect of local application of fertilizer on the content of cytokinins in the xylem sap of maize // Biología Planta-rum. - 1998. - V.41, №4. - P.587-590.

5. Иванов ПЛ., Трапезников B.K., Кудоярова Г.Р. Цитокшлшы и абсцизины в ксилемном экссудате корневых прядей, различающихся по солевому статусу // Агрохимия. - 2000. - №3. - С.25-29.

6. Теплова И.Р., Фархутдинов Р.Г., Митриченко А Н., Иванов И.П., Веселов С.Ю., Вальке P.JI., Кудоярова Г.Р. Реакция на повышенную температуру у трансформированных растений табака, содержащих ipt-ген // Физиология растений. — 2000. -Т.47, №3. - С.416-419.

7. Трапезников В.К., Иванов И.П., Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л. Влияние инкрустации гранул нитрофоски гуматом натрия на урожай и качество зерна твердой пшешщы H Агрохимия. - 2000. - №9. - С.48-49.

8. Мардамппш А.Г., Трапезников В.К., Уразбахгина H.A., Иванов И.И., Чибиряев C.B. О сходстве реакции растений и каллусной ткани на градиент

элементов минерального питания в среде II Агрохимия. - 2001, - №8. - С.34-36.

9. Трапезников В.К., Иванов И.И., Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л. Реакция сортов яровой пшеницы на локальный солевой стресс // Агрохимия. - 2002. - №11. -С. 14-22.

10.Trapeznikov V.K., Ivanov I.L, Kudoyarova G.R. Effect of heterogeneous distribution of nutrients on root growth, ABA content and drought resistance of wheat plants // Plant and Soil. -2003. - V.252, №2. -P.207-214.

П.Трапезников В.К., Иванов И.П., Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л., Никонов В.И.. Особенности минерального питания сортов и видов яровой пшеницы при различных способах внесения удобрения// Агрохимия. -2004. -№1. - С.51-59.

12. Трапезников В.К., Иванов U.U., Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л. Рост растений яровой твердой пшеницы на гетеро- и гомогенной питательной среде с различным сочетанием зародышевых корней высоко- и низкосолевого статуса // Агрохимия. - 2005. - №12. - С.22-30.

13. Walch-Liu P., Ivanov I.I., Filleur S., Gan Y., Remans Т., Forde B.G. Nitrogen Regulation of Root Branching II Annals of Botany. - 2006. - V.97, №5. - P.875-881.

14. Трапезников B.K., Иванов И.Н., Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л., Смольников A.A. Кудоярова Г.Р. Рост растений и формирование корневой системы яровой мягкой пшеницы на гетеро- и гомогенной питательной среде при различной напряженности солевого воздействия II Агрохимия. - 2007. - №3. - С. 18-27.

15.Высоцкая Л.Б., Веселов С.Ю., Веселов Д.С., Филиппенко В Н., Иванов И.И., Кудоярова Г.Р. Иммуногистохимическая локализация и количественное определение ИУК при исследованиях регуляции роста корней // Физиология растений. -2007. - Т.54, №6. - С.926-931.

16. Иванов И.И., Трапезников В.К., Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л. О диагностике отзывчивости сортов яровой твердой пшеницы на локальное внесение минеральных удобрений // Агрохимия. - 2008. - №2. - С. 14-17.

17. Иванов И.П. Эндогенные ауксины и ветвление корней при изолированном питании растений пшеницы // Физиология растений. - 2009. - Т.56, №2. - С.241-246.

18. Трапезников В.К., Иванов II.IL, Тальвинская Н.Г., Анохина Н.Л. Формирование корневой системы и поглощение воды растениями сортов яровой твердой пшеницы с различной отзывчивостью на локальное внесение минерального удобрения // Агрохимия - 2009. -№7. - С. 11-19.

19. Иванов ПЛ., Трапезников В.К., Тальвинская Н.Г. Особенности роста и потребления воды растениями сортов яровой мягкой пшеницы с контрастной отзывчивостью на локальное внесение удобрений // С.-х. Биология. - 2010. - №1. - С.56-63.

20. Дедова М.А., Высоцкая Л.Б., Иванов ПЛ., Кудоярова Г.Р. Влияние тотального и локального теплового шока на соотношение массы побега и корня у ipt-трансгенных п ^трансформированных растеши! табака И Известия Самарско-гонаучного центра РАН. ~ 2011. -Т.13, №5(3). -С. 136-139.

21.Трапезш1ков В.К., Иванов И.П. Ответные реакции растений на гетерогенное распределение элементов питания в среде. Обзор. // Агрохимия. - 2012. - №5. -С.73-90.

22. Трапезников В.К., Иванов II.II., Кудоярова Г.Р. Технология внесения минеральных удобрений и устойчивость сортов яровой пшеницы к дефициту воды // Агрохимия. -2013. -№1. -С.26-34.

Статьи в крупных региональных изданиях и сборниках трудов

1. Иванов H.H., Трапезников В.К., Кудоярова Г.Р., Каравайко H.H., Мошков И.Е. Влияние условий минерального питания на содержание абсцдаинов в пасоке кукурузы // Физиология и биохимия культурных растений. - 1989. - Т. 21, № 2. - С.153-156.

2. Иванов П.П., Трапезников В.К., Кудоярова Г.Р. Влияние характера распреде-летм элементов минерального питания в почве на содержание фитогормонов в надземных органах яровой пшеницы // Иммуноферментный анализ регуляторов роста: Применение в физиологии растений и экологии. - Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1990. - С.65-73.

3. Иванов ПЛ., Трапезников В.К, Кудоярова Г.Р. Цитокшшны и абсцизовая кислота в корнях пшеницы при локальном повышении концентрации элементов питания в среде // Физиология и биохимия культурных растений. - 1993. - Т. 25, № 4. - С.356-362.

4. Иванов И.И., Трапезников В.К., Кудоярова Г.Р. Изменение гормонального статуса пшеницы под влиянием минерального питания // Физиология и биохимия культурных растений. - 1994. - Т. 26, № 1. - С.32-36.

5. Иванов H.H., Веселов С.Ю., Анохина H.JL, Кудоярова Г.Р., Вальке Р. Ipt-трансгенные растения табака как модель для изучения донорно-акцепторных отношений между побегом и корнем // Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии. Материалы III конференции. - Уфа, 3-6 октября 2000 г. Уфа, 2000. - С.63-67.

6. Веселов С.Ю., Веселов Д.С., Иванов ПЛ., Симонян М.В., Ахиярова Г.Р. Влияние экспрессии ipt-гена на распределение ассимилятов в растениях // Итоги биологических исследований, 2000. Вып. 6. - Уфа: Изд-во БашГУ, 2001. -С.60-64.

7. Иванов ПЛ., Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р., Симонян М.В., Анохина H.JI. Содержание и локализация цитокшшнов и соотношение побег/корень у

ipt-трансгешшх растешш табака // Итоги биологических исследований, 2001. Вып. 7. - Уфа: Изд-во БашГУ, 2002. - С. 188-192.

8. Иванов П.И., СимонянМ.В., Кудоярова Г.Р., ТепловаИ.Р., Веселов С.Ю. Влияние индукции экспрессии ipt-гена тепловым шоком на накопление и распреде-леше биомассы у трансгенных растешш табака // Материалы годичного собрания ВОФР "Экспериментальная биология растешш 2001"/ Вестник БашГУ. -2001. .№2(2). - С.9-12.

9. ИвановИ.И., Веселов С.Ю., КудояроваГ.Р., СимонянМ.В., АнохинаН.Л. Содержание цитокишшов, их локализация и соотношение побег/корень у ipt-трансгенных растений табака // Физиология и биохимия культурных растений. - 2003. - Т. 35, № 4. - С.342-348.

10.Kudoyarova G.R., Ivanov I.I., Trapeznikov V.K., Veselov S.Yu. Involvement of hormones in the increase in plant productivity induced bv localised fertilizer placement. In: Phytohormones in Plant Biotechnology and Agriculture (Eds. Machacko-va I., Romanov G.A.). -Dordrecht: Kluwer AP, 2003. -P.229-235.

П.Трапезников В.К., Иванов И.И., Тальвинская Н.Г., АнохинаН.Л., Никонов В.И. Сорт и технология применения удобрений // Селекция и семеноводство. -2005, № 2. - С.2-4.

12. Веселов С.Ю., Иванов П.П., Ахиярова Г.Р., Высоцкая Л.Б. Иммунопатологическая локализация фитогормонов в примордиях боковых корней при локальном питании П Роль классических университетов в формировании инновационной среды регионов. Материалы научно-практической конференции 2-5 декабря 2009 г., Том II, часть 2. - Уфа: РИД БашГУ, 2009. - С.53-56.

13. Иванов И.П. Влияние локального повышения концентрации ионов питательной среды на содержание индолилуксусной, абсцизовой кислот и ветвление корней пшеницы // Физиология и биохимия культурных растений. - 2011. — Т. 43, № 4. - С.332-338.

14. Трапезников В.К., Никонов В.И., Иванов И.П. Отбор высокопродуктивных генотипов яровой пшеницы на фоне гетерогенного распределения элементов минерального питания //Известия УНЦРАН. -2012. -№ 1. - С.5-9.

15. Кудоярова Г.Р., Трапезников В.К., Иванов И.П. Гидравлическая проводимость корней при гетерогенном распределении элементов минерального питания // Известия УНЦ РАН. - 2013. - № 2. - С.33-37.

Список сокращений:

АБК - абецнзовая кислота

ВС - высокосолевой

ГТК - гидротермический коэффициент

ИУК - индолилуксусная кислота

НС - низкосолевой

Х-А - раствор Хогланда-Арнона

ЦК - цитокшшны

ЭМП - элементы минерального питания

Подписано в печать 19/09/13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 140 экз. Заказ 1149. Гарнитура «ТтезЫешНотап». Отпечатано в типографии «ПЕЧАТНЫЙ ДОМЪ» ИП ВЕРКО. Объем 2 п.л. Уфа, Карла Маркса 12 корп. 4. т/ф: 8(347) 27-27-600, 27-29-123

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Иванов, Игорь Игоревич, Уфа

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ^ ^ УФИМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ

На правах рукописи

05201352073

ИВАНОВ ИГОРЬ ИГОРЕВИЧ

Специальность 03.01.05— Физиология и биохимия растений

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор В.К. Трапезников

Уфа-2013

Оглавление

Оглавление...................................................................................................................2

Список сокращений:...................................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 7

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................15

1. Эндогенные и экзогенные факторы, регулирующие способность

корней поглощать элементы питания и воду......................................................15

1.1. Пластичность растений как механизм адаптации к условиям обитания...............................................................................................................15

1.2. Гормоны и их роль в регуляции формирования и

функционирования корневой системы и целого растения..............................24

Ауксины.............................................................................................................25

Цитокинины......................................................................................................31

Абсцизовая кислота..........................................................................................36

Этилен................................................................................................................40

2. Локальное применение удобрений. Влияние на рост и развитие

растений...................................................................................................................43

2.1. История исследований феномена локального питания растений...........43

2.2. Ответные реакции растений на гетерогенное распределение элементов питания в среде.................................................................................47

Средообразующее действие локализации минеральных удобрений..........48

Морфологические и физиологические реакции корневой системы

растений на очаги питания_,.............................................................................51

Функциональная активность побега при локальном размещении

элементов питания............................................................................................60

Влияние условий минерального питания на гормональный сигналинг

и гормонов - на поглощение и усвоение элементов питания......................62

Отзывчивость генотипов на очаговое распределение элементов

питания..............................................................................................................65

Конкуренция растений в зависимости от характера распределения

элементов питания в среде..............................................................................66

Отзывчивость растений при локальном питании на дополнительные воздействия........................................................................................................68

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................71

1. Условия выращивания растений.......................................................................71

В полевых опытах................................................................................................71

В микрополевых опытах.....................................................................................72

Цекорневые подкормки, применение биологически активных веществ и закалки...............................................................................................................72

В вегетационных опытах....................................................................................73

Баланс-сосуды. Пшеница.................................................................................73

Баланс-сосуды. Томаты....................................................................................74

Кукуруза............................................................................................................75

В лабораторных экспериментах.........................................................................76

Пшеница............................................................................................................76

Табак..................................................................................................................78

Арабидопсис......................................................................................................79

2. Оценка условий проведения опытов................................................................79

Гидротермический коэффициент (ГТК)...........................................................79

3. Оценка показателей............................................................................................79

Продуктивность растений (урожай)..................................................................79

Качество зерна.....................................................................................................80

Рост побегов и корневой системы.....................................................................80

Ветвление корней................................................................................................80

Подсчет примордиев боковых корней..............................................................80

4. Измерение показателей водного обмена..........................................................80

Транспирация.......................................................................................................80

Гидравлическая проводимость и водный потенциал......................................80

5. Оценка поглощения и концентрации ЭМП.....................................................81

6. Введение и определение изотопной метки......................................................81

Азот 15К.................................................................................................................81

Углерод ,4С02......................................................................................................81

7. Методы определения_фитогормонов...........................-.....................................81

Экстракция, очистка и концентрирование гормонов......................................81

Биотестирование цитокининов..........................................................................84

Твердофазный иммуноферментный анализ (ИФА).........................................85

Иммунолокализация ИУК и АБК......................................................................86

8. Статистическая обработка данных...................................................................87

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.........................................................................89

1. Локальные реакции в зоне с повышенной концентрацией макроэлементов и их значение для роста и продуктивности растений............89

1.1. Ветвление корней в очаге питания и его значение для поступления

и усвоения ЭМП..................................................................................................90

1.1.1. Накопление и усвоение элементов питания растениями...................95

1.1.2. Поступление элементов питания и аминокислот с пасокой.

Роль ВС корней...............................................................................................106

1.2. Результирующее действие разных фонов минерального питания на ростовые характеристики растений как результат повышения

доступности элементов питания......................................................................110

1.3. Продуктивность как интегральный показатель ростовых

процессов на разных фонах минерального питания......................................120

1.4. Гидропоническая культура для моделирования локального

питания...............................................................................................................134

1.4.1. Рост растений яровой пшеницы на гомо- и гетерогенной питательной среде с различным сочетанием зародышевых корней высоко- и низкосолевого статуса..................................................................137

1.4.2. Ветвление зародышевых корней высоко- и низкосолевого

статуса у проростков яровой мягкой пшеницы...........................................152

1.4.3. Подбор концентраций ВС и НС питательных растворов для экспериментов в водной культуре................................................................157

1.5. Динамика закладки и развития боковых корней и её связь с изменением концентрации ИУК и абсцизовой кислоты в НС и ВС

корнях.................................................................................................................163

1.5.1. Изменение содержания АБК и ИУК и ветвление корней яровой твердой пшеницы сорта Безенчукская 139 при локальном

повышении концентрации ионов в среде.....................................................165

1.5.2. Динамика формирования боковых корней и содержание гормонов в низко- и высокосолевых корнях растений яровой твердой пшеницы Харьковская 23 и Саратовская золотистая.................................168

1.5.3. Иммуногистохимическое окрашивание срезов корней на

ауксины и АБК................................................................................................171

2. Действие локального повышения концентрации ионов на

устойчивость растений к засухе..........................................................................175

2.1. Влияние засухи на продуктивность растений в зависимости от фона минерального питания и его связь со степенью развития

корневой системы..............................................................................................175

2.1.1. Повышение устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды в результате системного действия гетерогенного распределения элементов питания в почве..................................................176

2.1.2. Разнонаправленность действия самого удобрения и характера его применения на устойчивость растений к недостатку влаги в

почве.................................................................................................................182

2.2. Влияние локального питания на удлинение и накопление массы НС корней всвязи с содержанием цитокининов. Связь ростовой

реакции в гидропонике с отзывчивостью к локальному питанию...............192

2.2.1. Повышенная способность к поглощению элементов питания у

НС корней........................................................................................................193

2.2.2. Линейный рост НС корней..................................................................194

2.2.3. Различия в скорости роста первичных ВС и НС корней и содержание цитокининов в корнях пшеницы различного солевого

статуса..............................................................................................................208

2.2.4. Диагностика отзывчивости сортов яровой твердой пшеницы к локальному питанию всвязи с ростовой реакцией НС корней..................213

2.3. Соотношение массы побега и корней при равномерном и

локальном питании и на фоне дефицита ЭМП..............................................218

2.3.1. Зависимость соотношения масс корней и побега от концентрации питательного раствора при гомогенном распределении ЭМП в среде.........................................................................218

2.3.2. Гетерогенное распределение ЭМП в среде стимулирует развитие всей корневой системы растения (на примере мягкой пшеницы).........................................................................................................219

2.3.3. Гетерогенное распределение ЭМП в среде может менять зависимость соотношения корень/побег от концентрации питательного раствора при гомогенном распределении............................222

2.3.4. Влияние уровня и распределения элементов минерального питания в среде на соотношение масс корень/побег..................................223

2.4. Функциональная специализация корневых прядей: потоки воды

через НС и ВС пряди и их гидравлическая проводимость...........................228

2.4.1. Выделение пасоки корнями томатов, различающимися по солевому статусу............................................................................................229

2.4.2. Динамика потребления воды растениями яровой пшеницы при гетерогенном и гомогенном распределении элементов питания..............230

2.4.3. Гидравлические характеристики корней твердой пшеницы...........235

2.4.4. Содержание АБК в корнях пшеницы различного солевого

статуса..............................................................................................................240

3.1. Отзывчивость растений на дополнительные воздействия при гомогенном и гетерогенном питании..............................................................247

3.2. Роль гормонального статуса ВС и НС корней в ответных реакциях целого растения.................................................................................................260

3.3. Влияние локального питания на концентрацию ЦК и АБК в ксилемном соке и их содержание в листьях молодых растений..................262

3.3.1. Содержание фитогормонов в ксилемном экссудате кукурузы........263

3.4. Роль гормональных корневых сигналов в регуляции транспирации, фотосинтеза и донорно-акцепторных отношений...............278

3.4.1. Транспирация растений.......................................................................278

3.4.2. При гомогенном повышении уровня минерального питания блокируется отток цитокининов из корней в побег....................................281

3.4.3. Фотосинтетическое включение и перераспределение 14СОг...........283

3.4.4. Повышение уровня цитокининов может влиять на

соотношение массы побега и корня..............................................................289

4. Роль гормонов в регуляции продукционного процесса растений...............298

4.1. Динамика фитогормонов в онтогенезе.....................................................298

4.1.1. Усредненное содержание фитогормонов в органах яровой пшеницы..........................................................................................................298

4.1.2. Сравнительный анализ концентрации фитогормонов в надземных органах пшеницы при равномерном и гетерогенном распределении удобрения в почве на отдельных этапах онтогенеза........305

4Т2. Гормональный статус растений пшеницы на этапах онтогенеза,

наиболее сильно определяющих продуктивность.........................................316

4.3. Подтверждение необходимости ИУК для ветвления корней: Системное ингибирование развития боковых корней при повышенной обеспеченности растений нитратом................................................................323

Заключение..............................................................................................................326

Выводы:....................................................................................................................328

Список используемой литературы........................................................................330

Список сокращений:

АБК - абсцизовая кислота БАП - 6-бензиламинопурин;

ВС - высокосолевой; ГТК - гидротермический коэффициент;

ИУК - индолилуксусная кислота НС - низкосолевой;

ТСХ - тонкослойная хроматография; Х-А - раствор Хогланда-Арнона;

ЭМП - элементы минерального питания

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Минеральное питание является одним из наиболее важных факторов внешней среды, от которого зависит рост и развитие растений. Поэтому не удивительно, что в основе зеленой революции, обеспечившей резкое возрастание продуктивности растений в середине 20 века, лежит интенсивное применение удобрений [Sakamoto, Matsuoka, 2008; Gewin, 2010]. Вместе с тем, судя по некоторым публикациям, для роста и развития растения важен не только уровень содержания элементов минерального питания (ЭМП) в почве, но и их распределение [Hodge, 2004; Richardson et al., 2005; Ruffel et al., 2008; Biedrzycki et al., 2010]. Известно, что почва гетерогенна по многим физико-химическим и биологическим параметрам, в том числе и по содержанию пищевых ресурсов. В естественных сообществах очаги повышенного содержания ионов возникают в результате разложения органических остатков растений, животных и микроорганизмов [Hodge, 2004], а также за счет конкуренции за элементы питания [Semchenko et al., 2007]. В зонах повышенной концентрации ионов отмечается активное ветвление корней [Zhang et al., 1999; Forde. 2002; Ruffel et a., 2008], но механизм этого эффекта и его влияние на поглощение ионов, рост и развитие растений активно дискутируются [Hodge et al., 2009; Richardson et al., 2009]. Приспособительное значение активации роста корней в зоне с повышенной концентрацией ионов кажется очевидным. Многие исследователи пишут о том, что именно ростовая реакция корней обеспечивает эффективное поглощение ионов из очага их повышенной концентрации [Fransen, 1999; Bingham, 2001; Pierik et al., 2007; Pages, 2011]. Вместе с тем, появились публикации, в которых это утверждение обсуждают и критикуют [Jaskcon, Caldewll, 1996; Robinson, 1996; Hodge, 2010]. В частности, подвергается сомнению, что (1) неравномерное распределения ионов повышает поглотительную способность растений и стимулирует рост

целого растения, (2) что активация роста корней в зоне с высокой концентрацией ионов важна для поглощения макроэлементов. В то же время, ответы на многие вопросы были получены путем анализа реакции растений на неравномерность распределения ионов, искусственно создаваемую локальным распределением удобрений, приводящим к формированию в ограниченном объеме почвы зон с высоким содержанием ионов, во взаимодействие с которыми вступает лишь часть корневой системы растения [Трапезников, 1983, 1992; Соколов., Семенов, 1992; Вильдфлуш и др., 2005; Ладонин и др., 2005; Цыганов и др., 2006; Вильдфлуш и др., 2008; Schnier et al., 1993; Pettersson, 2008]. Физиолого-биохимические аспекты положительного влияния локального питания на рост и продуктивность растений до сего времени остаются недостаточно изученными. Более того, имеющиеся в литературе данные порой носят противоречивый характер. В полной мере это относится и к активации ветвления корней в зоне повышенного содержания ионов.

Участие гормонов в стимуляции ветвления корней в очаге высокого содержания ионов предполагалось на основе опытов с мутантными растениями с пониженной чувствительностью к тому или иному гормону, либо способностью к_их синтезу.. Были получены косвенные свидетельства возможного участия гормонов в ростовом ответе на локальное питание: стимуляции ветвления под влиянием ауксинов [Forde, 2002] и подавления - под влиянием АБК [De Smet et al., 2003]. Однако до начала наших исследований влияние локального питания на содержание гормонов в растениях не изучалось. Ограниченность подхода к изучению влияния на растения гетерогенного распределения элементов минерального питания проявляется также в том, что основное внимание уделялось процессам, которые происходят в корнях, функционирующих в зоне с повышенной концентрацией ионов, т.е. локальным процессам. Хотя при их обсуждении и применялся термин системного действия [Forde, 2002], имелось в виду лишь то, что тотальное повышение концентрации ионов в среде подавляет ветвление корней за счет системного действия на все растение в целом (в связи

с повышением концентрации макроэлементов в побеге), в то время как локальное повышение концентрац

Информация о работе

Иванов, Игорь Игоревич
доктора биологических наук
Уфа, 2013
ВАК 03.01.05

Диссертация

Сигнальная регуляция ответных реакций растений на гетерогенное распределение элементов минерального питания - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы