Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние осмотического стресса на рост корней и надземных органов яровой пшеницы

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Влияние осмотического стресса на рост корней и надземных органов яровой пшеницы"

Московская ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени. сельскохозяйственная Академия им. К.А.Тимирязева

р г б од

_г„ ,,-,«,) На правах рукописи

Ч 2 Cc.ll к!.: .

ДЕШЕНЮ Ольга Адольфовна

ВЛИЯНИЕ ОСШТИЧВСЮЮ СТРЕССА НА РОСТ ГОШЕЙ И" ШЩЗЕШЫХ ОРГАНОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦУ

Специальность 03.00.12 - физиология растений'

. Автореферат диссертации на .соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1994

Работа выполнена в лаборатории физиологи^ растений научно-производственного объединения "Элита Поволжья"

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор Кумаков В.А.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,профессор Еолкавич'В.Н. кандидат биологических наук Пильщикова'•1.В,

- Ведущее учреждение - Всероссийский институт удобрений и агропочвоведения им. Д,Н.Прянишникова

Защита состоится £ (Шё^и*- 1994 г. в /¡К час. на заседании специализированного ученого совета Д.120,35.07 в Московской сельскохозяйственной академии им.К. А.Тимирязева.

Адрес: 127550, г.Москва И-550, ул.Тимирязевская, 49, сектор защиты диссертаций.

*

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан 0,ЫС<.ц 1994 г;

Учешй сшсретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Актуальность проблема. Огромное влияние на рост растений оказывают обезвоживание и высокие тешератуш. Ответные реакции растений на эти факторы абиотической среда зависит от способности растений адаптироваться к меняющимся условиям. Адаптационные процессы реализуются через важнейшие функции организма и в первую очередь через процессы роста и морфогенеза (Кумаков,1985; Шевелу-ха,1992). Именно регуляция морфогенеза играет ведущую роль в адаптивных реакциях организма (Курсгщов,19?6; Мокроносов,1978).

Особый интерес при исследовании засухоустойчивости пшеницы представляют гакиа вопросы, как степень обратимости нарушений физиологических функций после засухи, полнота и скорость репарационных процессов (Кулаков»1387), го есть вся совокупность физиологических и морфогенегических перестроек растения под действием внешних факторов.

Последствия стресса зависят от реакции на него исполнительных механизмов морфогенеза, прежде всего образовательных тканей.Между тем, влияние водного и температурного стресса' на отдельные фазы роста клеток,в частности на их пролиферацию, изучено недостаточно, особенно в сортовом аспекте (Шматысо.Григорюк,Шведова,1989).

Цель и задачи исследования. Изучению ростовых реакций надземных органов и корней различных по устойчивости сортов пшеницы в ответ на осмотический стресс на начальных и последующих этапах формирования вегетативных метамеров побега и посвящена данная работа.

Перед исследованием были поставлены «идущие задачи:

1) Изучить влияние,осмотического стресса различной интенсивности и продолжительности на рост корней и надземных органов проростков шпеницы и, в частности, на отдельные фазы роста кле-

гок (пролиферацию, растяжение).

2) Выявить различия в указанных выше ростовых реакциях мезду

сортами разных экологических типов.

■ 3) Охарактеризовать изменения структурной организации листа пшеницы в.условиях осмотического стресса..

4) Исследовать возможность использования ПАИ (пролиферативно-го антигена инициалей) для оценки функционального состояния апикальной меристемы побега и меристем листьев проростка в условиях осмотического стресса.

Научная новизна и практическая значимость работы. В работа • впервые показана большая устойчивость временного интервала роста листьев пшоницы в условиях осмотического стресса по сравнению. со скоростью роста. С учетом подтвержденной в наших опытах разной чувствительности пролиферации и растяжения клеток к стрессу определен наиболее уязвимый этап онтогенеза листа проростка пшеницы и разработан режим стресс-обработки для использования его в диагностике засухоустойчивости.

Установлены некоторые особенности ростовой функции и мезо-структурной организации листа в условиях осмотического стресса у сорта интенсивного типа и спрта традиционной селекции волжс-•кого степного экотипа, которые важно учитывать при селекции на высокую продуктивность и засухоустойчивость.

Впервые использован фенотипический маркер ПЛИ, характерный для активно оролиферирущих клеток, в целях изучения функционального состояния клегол " апикальных меристем побега проростка и мэристем листьев в условиях осмотического стресса. Показан различи™ характер изменения содержания ПАЙ в процессе репарации клеток апекса стебля и меристем листьев у контрастных по засухоустойчивости сортов пшеницы.

Полученные в результате работы данные вносят определенный вклад в изучение физиологии важнейшей сельскохозяйственной культуры - пшеницы и могут быть использованы для теоретического изучения проли:1ерагивных процессов в меристемах и для дальнейшей разработки методов диагностики засухоустойчивости.

Апробация работы. Основные результаты исследования представлен ны на научной конференции по сельскохозяйственной биотехнологии (Целиноград,1991), на 8-м Конгрессе Европейского общества физио-. логов растений (Antwerpen. ,1992). Материалы диссертации докладывались на конференции молодых ученых "Актуальные проблемы физиологии растений и генетики" (Киев,1992), на 3-м съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург,1993), на научной конференции Саратовского сельскохозяйственного института (Саратов,1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 95 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, раздела "Объекты и метода исследования", 3-х глав экспериментальной части, заключения, выводов и списка цитированной литературы из 115 наименований, в том числе 44 на иностранных языках. Работа содержит 17 таблиц и 12 рисунков.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДИКА. И УСЛОИЯ ПРОВЗДЕВМ ОПЫТОВ

В качестве объектов исследований внбранн сорта яровой шзни-цы, устойчивость и продуктивность которых была заранее известна (Кумаков,Х985): Саратовская 29, Лютесценс 75В, Саратовская 48 (воляский степной экотип, высокая засухоустойчивость) и сорта западногерманской селекции - Опал, Янус, Б.Арин (неустойчивые к засухе). Сорта сравнивались попарно: засухоустойчивый сорт - неустойчивый к засухе сорт. Основная работа г. твоячласъ на сортах

Саратовская 29 - Опал. Изучаемые в паре сорта близки по вегетационному периоду, не отличаются по срокам прохождения фаз и особенно по скорости роста лисгьев, поскольку-синхронность развития необходима для использования пары сортов в качестве модельной системы при изучении ростовых процессов.

Опиты проводились в лаборатории клеточной селекции и лаборатории физиологии растений НИИСХ ¿Сго-Восгрка, лаборатории иммун-нохимии растительных клеток и тканей ЙФР РАН в климатических камерах (тешерагура 22® С, освещенность 25-30 тыс.люкс., влажность воздуха 60$). Осмотический стресс создавали, помещая корневую систему в питательный раствор Прянишникова с добавлением полиэти-лвнгликоля (ПЭГ М,6000, ,ФРГ).

Проводилось несколько серий опытов. В серии до изучению влияния осмотического стресса на рост проростков сортов разных экологических типов использовали проростки односуточные (практически это наклюнувшиеся семена), 3-х, 4-х и 5-суточные. Концентрацию ПЭГ в питательной среде варьировали от 12 до 30$, а продолжительность стресса - от 2 до 12 суток (концентрация ПЭГ в среде ■12% соответствует осмотическому давлению -0,35 Ща). Часть растений после стресса переносили на питательную среду без добавления ПЭГ и оставляли на 5-8 дней для оценки интенсивности репарационных процессов» Ростовую реакцию проростков пшеницы на осмотический стресс оценивали по изменению сухой биомассы корней и надземных органов, а также линейных размеров корней и лисгьев в сравнении с контролем (питательная среда без ПЭГ). Кроме того, в опытах с 5-суточныш проростками сортов Саратовская 29 и Опал определял! дыхательную способность, водный дефицит, содержание воды в листьях.

В опытах с 4-х суточными проростками с длительным стрессовым

воздействием (4,6,8,12 суток стресса) дополнительно учитывали изменения сухой массы материнских зерновок, а также содержание ПЛИ в апикальных меристемах и интеркалярных меристемах листьев.

В следующей серии опытов использовались 3-х суточные проростки сортов Саратовская 29 и Опал. Длительность стресса - 3 суток, концентрация ПЗГ - 16 Tf 243. Во время стресса и на протяжении репарационного периода препарировали часть проростков (п=10) и каадые сутки измеряли длину зачаточных листьев. Такие каждые сутки учитывали изменения линейных размеров остальных листьев вплоть до окончания роста листовой пластинки. Таким образом, были получены полные кривые роста листьев. По окончании их роста определяли площадь первого, второго и третьего листьев. В период стресс-обработки и по окончании роста в репарационный период дополнительно учитывали некоторые параметры мезоструктуры первого листа, разме-> •pu (длина, ширина) и число клеток (Березина О.В..Корчагин Ю.Н., IS87). Площадь листьев отдельных ярусов рассчитывали по формуле . Аникеева и Кутузова (1961) или измеряли на фитопланиметре марки ААМ-7. Относительная скорость линейного роста рассчитывалась как отношение суточного прироста к длине листа в начале суток.

Опыты по изучению функционального состояния клеток алег.са стебля и меристем листьев при действии осмотического стресса с помощью ПАЛ били проведены совместно с сотрудниками Группы икмун-похчьш растительных клеток îîfP РАН.

Выявление, получение ПАИ описаны Евсеевой (1993).

Статиспчеокут обработку результатов ¡экспериментов доводили по Доспехову (I9èB).

вэдше ОС:ЛТ'!ЧЕС1ЮГО СТРЕССА НА РОСТ прорэспюв СОРТОВ ЯРО-

bo'î iilwiw раз1-ж этожглчвсгях таю» , а тлжя л-яай сеш-

' ТЛКВЛИЛЫХ В КУЛЬТУРЕ 111 vlmo НА УСГОЙЧИВОСГЬ 1С ОСМЭЕПЗОНО-

Ш СГГЕОСУ

Довчсгияе оо:.х>пчес:сого давления сро.тгг ска.?а.псь icai: на флр-

шровании корневой системы, rait и на росте надземных органов проростка. Рост в длину главного и придаточных корнай,квлеопти-ля, первого листа подавлялся в прямой зависимости от силы стрессового воздействия, уменьшалась сухая масса корней и надземных органов (табл.1,2). Однако достоверные сортовые различия получены только по приросту сухой массы за время стресса и в репарационный период. Именно этот ростовой показатель, характеризующий способность растения синтезировать органические вещества в неблагоприятных условиях, оказался наиболее информативен при оценке интенсивности ростовых процессов.

Как показали результаты наших опытов, чувствительность к осмотическому стрессу проростков пшеницы изучаемых сортов на начальных этапах роста различна. Наибольшей устойчивостью к стрессу обладали односуточные и трехсуточные проростки, которые имели наибольший прирост сухой массы надземных органов во время стресс-обработки (табл.1). Сортовые различия проявились в опытах с 4-х и 5-ти суточными -проростками (табл.1,3,4). Среднесуточный прирост сухого вещества надземных органов у растений устойчивых сортов в период 2-х суточного стресса был в несколько раз больше по сравнению с неустойчивыми сортами. Более того, 5-ти суточные проростки сортов Янус и Б.Арин дачкз теряли сухое ' вещество во время стресса (табл.1). Это, видимо, связано с возрастанием интенсивности дыхания в начале стресса. После 2-х суток стрессового воздействия заметно' стгаениэ дыхательной-способности надземных органов йроростков обоих сортов, но в большей степени у неустойчивого сорта Опал. На третьи сутки репарационного периода проростки обоих сортов восстанавливали дыхательную способность до контрольного уровня.

В некоторых работах (eiuk ,1980) по диагностике засухоустойчивости. обе,уедается вопрос, связана ли реакция проростков раз-

личных по устойчивости .сортов пшеницы с использованием во время осмотического стресса питательных веществ эндосперма. Учет сухой массы зерновки за время стресса различной продолжительности (4,6, 8 суток) показал, что у опытных растений сорта Опал сухое вещество эндосперма убивало, в отличие от растений сорта Саратовская 29, у которых убыль.сухой массы зерновки приходилась на первые сутки репарационного периода. '

Учет в этих опытах показателей водного реядма свидетельствовал об уменьшении содержания воды вр проростках изучаемых сортов сразу после стресса. Однако сортовых различий ни по содержанию воды, ни по водному дефициту в листьях проростков не наблюдалось.

Учитывая все сказанное, можно•сделать вывод, что режим стресс-обработки (241 ПЭГ, продолжительность 2 суток) позволяет дифференцировать сорта по засухоустойчивости.

Таблица I

Влияние осмотического стресса на прирост сухой массы надземных органов разновозрастных проростков пшеницы,/1 к контролю

I „ 1 Среднесуточный прирост сухой

• Сорта ! вровень j массы за период стресса

i устойчивости ir--:-7Т~-

¡ |3-с.уточн.! 4-суточн.! 5~суточн. •

¡ ¡проростки!, проростки!,проростки

Саратовская 29 устойчивый 49,2 16,3 65,3

Саратовская 48 . т» к , к . 42,1

Лютесценс 758 и X '¿5,5 18,1

Опал - неустойчивый . 60,6 S.3 2,9

Б.Лрин , i» к убыль 1

Янус 1! X 4,5

г сорт в огшта не участвовал

Таблица 2

Сухая масса корней после 5 суток репарационного периода, % к контролю

Сорта ! Длительность стресса, сутки

! 4 16 1 8 1 12

Саратовская 29 Лютесцонс 758

Опал Янус

97,0 87,7

62,5 64,3

65.6 .92,3

57.7 55,0

54,8

78.0

48,7

69.1

37,0

29.0

25,2

33.1

Таблица 3

Прирост сухой массы побега проростков иеници за время стресса различной продолжительности и в репарационный период,# к контр.

•Сорта .Продолжи-) ! тельному 'стресса, ¡сутки Среднесуточный прирост сухой массы

за время ! стресса ! За Ь суток репарационного периода

Саратовская 29 4 18,3 70,2

Опал 4 3,3 28,2

Лютесценс 758 4 25,5 40,9

Янус 4 4,5 22,2

Саратовская 29 6 Д,0 7,0

Опал 6 2,1 убыль

Лютесценс 758 6 13,1 19,0

Янус 6 9,6 3,7

Саратовская 29 12 9,6 10,4s

Олал • 12 1,6 14,7

Лютесценс 758 12 8,2 18,2

Янус 12 убыль 20,1

к репарационный период длился 8 суток Этот же режим стресс-обработки был использован для изучения ростовых реакций проростков линий пшеницы селектированных в культуре in vitro на устойчивость к осмотическому стрессу. Основной целью клеточной селекции на засухоустойчивость является получение признака засухоустойчивости в потомствах растений-регене-

рантов. От растений-рсгенерантов получали семена (Тучин и др., 1991). В наших опытах 'использовали 5 суточные проростки 13 линий сорта Ершовская 32. По приросту сухого вещества за время стресса растение линий ранжировались следующим образом: две линии даже превышал;! по приросту стандарт Ершовская 32, некоторые имели очень низкий прирост или даже теряли сухое вещество. Тем не менее, большинство растений линий Ершовская 32 показывали высокий прирост сухой массы побега за время осмотического стресса, что явно свидетельствует об их высокой'засухоустойчивости.

Такта образом, во всех опытах с разновозрастным проростками первый лист находился на разных фазах роста, в то время как второй и третий листья были в зачаточном состоянии. Поэтому реакция проростка на осмотический' стресс в основном определялась функциональным состоянием первого листа. У 4-х и 5-ти суточных пророст' ков лист оказался более уязвимым к действию стресса, это и сказалось на состоянии всего растительного организма и выявило сортовую специфичность ответных ростовых реакций.

ВЛ'ЛШИЕ OCi'.DITiECiCOrQ СТРЕССА НА РОСТ ШСГЬЕВ РАЗНЫХ ЯРУСОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ

Рост органа определяется соотношением интенсивности деления и расгякешш клеток, и это соотношение может меняться под влиянием внешнего фактора среди (Иванов,1987). Данная глава диссертации посвящена исследованию характера изменения скорости и направленности ростовых процессов в листьях проростка во время осмотического стрзсса л восстановления их в репарационный период;

Известно, что одним из критериев роста является изменение от-госнтельНой скорости роста органа.У листьев ппеняци относительная скорость роста листа возрастает до выхода листа из почки, после чего она начин аз г снижаться (Dale,Miltborpe , IP33).

Относительная скорость листа (рис.1) ислытываеу резкие изменения и характеризуется несколькими мелкими пикаш и одним большим. У 3-х суточных проростков (рчс.Х). У первого листа к началу стрессового воздействия "большой пик" (или момент максимальной скорости растяжения клеток) только прошел у растений сорта Опал, у растений же сорта Саратовская 29 скорость растяжения клеток снижалась. У второго листа стресс приходился прямо на "большой пик" у обоих сортов (рис.1), у третьего листа "большой пик" появлялся на 7 сутки эксперимента, у примордия четвертого листа, рост которого осуществлялся главным образом делением клеток, "большого пика" в течение опыта не было совсем.

■ В опыте о меньшей концентрацией (16$ ПЭГ) рост листьев в течение двух суток стрессового воздействия продолжался, хотя и с мень-

»

шей скоростью по сравнению с контролем. Остановка роста листьев к третьим суткам стресса осуществлялась в следующей последовательности. Наиболее резко (до нуля) снизил скорость растяжения клеток второй лист (рис.1). У растений сорта Саратовская 29 наблюдали даже уменьшение длины листа. Замечено, что снижение скорости растяжения у сорта Опал было более резким и опережало на сутки реакцию растений сорта Саратовская 29.. Рост третьего и четвертого зачаточных листьев шел с очень низкой скоростью. Несколько выше была скорость роста первого листа. При высокой концентрации ПЭГ (24$) в среде рост всех листьев прекращался в первые же сутки стресса. Обезвоживание в этом случае отразилось и на деятельности конуса нарастания побега: прекратилось заложение новых вегетативных метамвров.

Восстановление ростовой активности листьев определялось степенью дифференциации листа и скоростью его роста перед стрессовым воздействием. Первый лист проростков уже сникал скорость

Рис. I. Относительная скорость роста листьев проростка гглзницы и стрессопнй и пяппрапйонннй пишод-.ошютино лтит-йои'гроль, штриховые - опит.

растяжения клеток, и восстановление роста в репарационный период было очень слабым, что и сказалось на сильном сокращении его площади'(табл.4).

Скорость растяжения клеток у,второго листа была максимальной ко времени действия осмотического стресса и быстро (на 3-4 сутки) восстанавливалась в репарационный период. По величине"боль-шого пика" видно, что у растений сорта Саратовская 29 восстанов- ' леыие скорости роста было почти полным, в отличие от растений сорта Опал, у которого площадь второго листа существенно умень- . шилась по сравнению с контролем в обоих вариантах опыта(табл.4).

Таким образом, скорость роста листа пшеницы значительно меняется под влиянием осмотического стресса. Для второго листа проростков неустойчивого сорта Опал характерно быстрое снижение скорости растяжения клеток во время стресса и недостаточно полное ее восстановление в репарационный период..

Механизмы, определяющие продолжительность периода роста органа, мало изучены. Нет однозначной зависимости между изменениями скорости роста и его продолжительности при различных воздействиях (Яданов,1987). Влияние осмотического стресса на продолжительность роста первого листа изучали на 4-х суточных проростках двух пар сортов: Саратовская 29 - Опал, Лютосценс 7Б8 - Янус.Дли-

Таблица 4

Влияние осмотического стресса на площадь листа, % к контролю

Сорт

Саратовская 29

16$ ПЭГ 70,3 82,6 96,3 24.3 ПЭГ 54,9 72,0 93,4

Опал

16$ ПЭГ 87,9 78,2 89,8 24$ ПЭГ 75,9 66,6 94,4

тельность стресса - 4,6,8 и 12 суток(табл.5).

Таблица 5

Продолжительность роста первого листа в зависимости от 'длительности осмотического стресса, сутки

Сорта

Длительность стресса, сутки

контроль | ~4 6 j 8 ! ~

Саратовская 29' Опал

Лютесценс 758 Янус

10 14 16 18

11 -15 17 18

II J5 16 17

II 15 16 17

Продолжителы^сть роста V листа у всех четырех сортов в контроле составляла Ю-П суток. По мере увеличения длительности стресса продолжительность роста увеличивалась. Однако если учесть,

ч

что во время стресса лист не рос, и вычесть из общей продолжительности роста время стсесса, то продолжительность роста лирта практически одинакова во всех вариантах (Рис.2).

Примеры большой устойчивости временного интервала роста по сравнению со скоростью роста в литературе описываются. Таг?, в работах Рытовой Л.Г. сделано предположение о том, что (Относительная устойчивость длительности Функционирования иытеркалярных меристем определяет формирование редуцированных листовых структур в условиях, неблагоприятных для полного раззития листа..

В наших экспериментах обращает на себя внимание факт, когда в супержестких условиях обезвоживания (длительность стресса - 12 . ' суток) лист высыхал полностью, деятельность' восстановленной.почти с нуля в репарационный период меристемы листа осуществлялась столько времени, сколько было и в контрольном варианта. Это подтверждает данные ('1ванов,1587) об устойчивости к различным повреждениям системы, опрзделяюдоп время жизни кзристематических клеток.

аоарао? проростка,дни

Рис, 2. Длина первого лист а проростков .сортов Саратовская 29 (сплошные линии) и Опал (штриховые линии) в период стресса(24$ПЭ1 и в репарационный период при различной продолжительности стресса: I -контроль; 2 « 4 суток стресса; 3-6 суток стресса; 4 - 8 с; ток стресса* Стрелками обозначено время окончания действия стресс:

к начало стресса

ВЛИЯНИЕ ОСМОТИЧЕСКОГО СТРЕССА НА ПРОЛИФЕРАЦИЮ И РАСТЯЖЕНИЕ КЛЕТОК МЕЗОШЛА ЛИСТА ШЕЩЩ

В условиях осмотического стресса у листьев обоих сортов сформировалась ксероморфаая структура ассимиляционного аппарата, характеризующаяся меньшей площадью листьев, увеличением числа клеток мезофилла и резким сокращением размеров клеток. Расчет параметров мезоструктуры показал, что объем и размеры клеток мезофилла обоих сортов уменьшался соответственно силе стрессового воздействия, что явно свидетельствовало о сильном подавлении растяжения и роста клеток (табл.6).

Таблица 6

Влияние осмотического стресса различной интенсивности на

основные параметры мезоструктуры первого листа >

Показатели

Варианты

Контроль ! 16% ПЭГ ! 24% ПЭГ

1лощадь листа, см.'

Саратовская 29 3,95*0,12

о о

1исло клеток в I см. х 10

ит. 69,213,91

о ' '

1исло клеток х 10 шт.(налист)273,5

)бъем клетки х 10® мкм.® 41,3

¡лина клетки,мкм. • 34,4±5,22

Ширина клетки,мкм. 27,6^0,97

Опал

9

[лощадь листа, см. 3,4340,15

? ч

[иело клеток в I см. х 10°

1т. , 90,2^5,84

[исло клеток х Ю3 шт.(налис^309,4 ч ч

>бъем клетки х 10 мкм. 47,0 1лина клетки, мкм. 33,6£1,43

1ирина клетки 29,8-^0,98

2,78-^0,01 2,17*0,09

115,417,82 320,9 27,5 ' 32,6*0,20 22,2±0,03

108,1^8,09 325,5 31,5

33,2±0,72 24,6-1,42

84,215,06 182,9 -18,9

29,0±0,95 20,4^-0,45

3,014),06 2,60Ю,04

82,9^4,92 215,5 19,1 . 27,2±1,05 21,2*0,33

Для того, чтобы более четко определить влияние осмотического стресса на процессы пролиферации клеток, мы рассчитали ко-

личество клеток не только на единицу площади листа, но и целиком на веет, орган. Оказалось, чгр при том и другом рассчете при меньшей концентрации осмотика в среде количество клеток в листе увеличивалось по сравнению с контролем, но в большей степени у растений сорта Саратовская 29 (г'абл.6).

В условиях жесткого осмотического стресса при рассчете клеток на единицу площади листа получалось увеличение количества клеток у растений Саратовская 29 и уменьшение у растений сорта Опал. Рассчет же числа клеток целиком на лист показал, что происходило подавление пролиферативных процессов.,у обоих сортов. Подсчет числа клеток (на лист) в динамике показал, что во время стресса делений клеток у растений обоих сортов не происходило ' (табл.7).

. ; Таблица 7

• Количество клеток в первом листе во время стресса и в репарационный период, тыс.шт.

Время взятия проб

Варианты

Сорта

¡Саратовская 39

Опал

Перед стрессом

После 3-х

суток

стресса

Через I сутки.; репарации.

Контроль

Контроль 18% ПЭГ 24» ПЭГ

Контроль 162 ПЭГ ■24^ ПЭГ

119,8*11,8

185,4-^7,3 ■ 126,4*4,8 : . 99,2^7,8

222,0*18,9 236,0^12,4 213,6£8,7

141,8^18,2

240,0-10,5 142,2*5,Б 153,2^11,1

272,6^23,1 321,0-15,1 169,8-10,I

Через сутки после снятия стрессового воздействия.процесс пролиферации (в варианте с ПЗГ в среде) в листьях сорта Саратовская 29 шел примерно на уроняв контрольного варианта, тогда как у растений сорта Опал (при той же концентрации) наблюдали лишь незначительное) увеличение количества клеток.

Таким образом, мезоструктура фотосингетического аппарата пшеницы существенно варьирует в зависимости от условий осмотического стресса. Подавляя фазу растяжения клеток мезофилла листа обоих сортов, осмотический стресс по-разному влиял на процессы пролиферации: 'сорт интенсивного типа обладал меньшей мобильностью мазоструктуры, что проявилось в подавлении пролиферативных процессов.. Для экологически пластичного сорта Саратовская^ 29 было характерно увеличение числя клеток мезофилла и формирование мел-коклаточного активного фотосинтетического аппарата, что способствовало более интенсивному накоплению сухого вещества в после-стрессовый период по сравнению с сортом Опал.

ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ КЛЕТОК АПЕКСА СТЕБЛЯ

И МЕРИСТЕМ ЛИСТЬЕВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ОСШТИЧЕСКОГО СТРЕССА С ПОШШЫО ПАИ

Исследование меристем в условиях'нормы и при действии неблагоприятного фактора сопряжено с определенными методическими сложностями. Поэтому важен поиск фенотипических маркеров, позволяйте оценивать функциональное состояние меристем (Володарский, 1985; Евсеева,1993), Группой иммунохимии ИФР РАН выявлен специ- , Фический белок ПАИ (пролиферативний антиген инициалей), характерный для активно пролиоерирующих клеток и тканей. Эти работы явились основанием для изучения послестрессовых репарационных процессов в апикальной меристеме побега и меристемах листьев проростков 2-х пар контрастных по засухоустойчивости сортов: Саратовская 29 - Опал, Дютесценс 758 - Янус.

Опиты проводили совместно с сотрудниками лаборатории иммунохимии растительных клеток и тканей под руководством Володарского А.Д.

"l-

2000

Í500 '

1000

-500 .

O

i'/A ■

0 : стресс

f

1

1

ТО

О Л Г.

o 4 O

--релара>р.'я

6

7-8 9 10 II 12. дни

Рис. З.'Дзмапение содетачип ПА!Т л апексах стеблей сорта Опач пти репарации. клеток после осмотического oípecca (24? ПЭГД0 суток),. За 100$ было принято содержание ГШ п kohtpojrhom варианте сорта Саратовская 29 до стресса.

.7'

/о

КОНТРОЛЬ

'СП

Опит

800;

600

400

200

ш

'¡Й

о

10

1-СТТ)пПС!

Ь 4 5 6 -репарация

7 - В. 9 10 . II Й

дни

. Рис. 4.Измрн8Иий содержания ПАЛ в пцоксах стоблой' Саратовская 29 при репарации гслог.ок после осмотического стпссса (24$ TOTJIO суток). .За 100 £ бшю пгчпято содор:к.шие ПАЛ г. контрольном варианте сорта -Саратогскап 29 до стрэоса.

СД-J контроль сгз

Опыт

Результаты опыта показали, что длительный стресс' приводил к гибели тканей листьев проростка. Оводненной оставалась, только апикальная меристема побега и прилогалщиа к ней интеркалярные .меристемы^листьев проростка. Однако после снятия стрессового воздействия в первые же .часы поступления влаги в растения произошел всплеск пролиферативной активности оставшейся неповрежденной части меристем проростка. Содержание ПАИ сразу после стресса резко увеличивается как у устойчивых, так и у неустой-' чивых сортов, причем в большей степени у сорта Опал. За репарационный период содержание ПШ у сорта Опал становится меньше , контроля в 2 раза, а у устойчивого сорта Саратовская 29, остается на контрольном уровне. При других режимах стресс-обработки . наблюдалась аналогичная картина (рис.3,4).Подобьое резкое повышение шготического индекса за счет стивдляции профазы и йота- < фазы в литературе описывается ( 2chenique,cuгvetto,■1g90 ). Но причины механизма, объясняющие это явление, еще недостаточно' изучены (Иванов,1937).

Таким образом, результаты нашей работы по. исследованию репарационных процессов показали различный.характер'изменения содер4 жания ПАИ у устойчивого и неустойчивого сортов пшеницы, а.;уакже: большую устойчивость к осмотическому стрессу клеток апекса стебля и меристем листьев по сравнению с дифференцированными ■ '. тканями проростка ( Еуаввуа.ЦепсЬепЗсо въ 41,1992). .

заключение

Оценка экологической приспособленности'и адаптивных возмбж-. ностей растений чрезвычайно важна как в теоретическом плане при исследовании общих закономерностей влияния стрессовых факторов на ход ростовых процессов, так и для дальнейшей разработки методов диагностики засухоустойчивости.

Изучение ростовых реакций в условиях осмотического стресса привели нас к выводам, сделанным и другими автора;® (Шевелуха, 13^2; и др.) о.том, что рост как' процесс, отражающий общий итог

всех Функциональных и метаболических изменений в растении,тесно »

, связан со способность» растений синтезировать органические вещества в неблагоприятных условиях среды и наиболее объективно характеризуется накоплением биомассы растением. Именно этот ростовой показатель лучше всог-. отражает физиологическое состояние растительного организма в стрессовых условиях, интенсивность и направленность ростовых процессов.

Оценка влияния осмотического стресса различной интенсивности на'-фазы роста клеток показала, что рост растяжением значительно более чувствителен к стрессу, причем в значительно большей степени у неустойчивого сорта, у 'которого восстановление скорости роста растяжением в репарационный период было менее ! полным, чем у устойчивого сорта. Что касается пролиферации, то стресс меньшей интенсивности не подавлял и даже стицулировал деление клеток. При этом увеличивалось число клеток не только на единицу площади листа (в силу уменьшения размеров клеток , из-за меньшего их растяжения), но и на орган в целом. Еесткий же стрэсс существенно снтаглл интенсивность пролиферации и уменьшал общее'число клеток в листе.Реакция на стресс процесса про- дифорзши и роста растяжением в конечном счете определяет мезо-структурную организацию листа, в частности,листья и устойчивых и неустойчивых сортов приобретают мелкоклеточну» болев кс.еро-морфиую структуру, которая, по мнению некоторых авторов,, более эффективна в условиях засухи.

Наличгга сортовых разлпчмй в ростог.ой реакции клеток листа на стросс явилось основанием дня поиска и изучения наиболее

уязвимого к стрессу этапа онтогенеза листа пшеницы, а на основе этих исследований - разработки режима стресс-обработки, позволя-щего дифференцировать сорта по засухоустойчивости. Работа в этом направлении продолжается с использованием эталонной коллекции контрастных по засухоустойчивости сортов яровой пшеницы, созданных в лаборатории физиологии растений НЙИСХ Юго-Востока с нашим участием и представляющих богатый материал для исследований адаптивных возможностей генотипов различных по эколого-гео-графическому происхождению,-

Результаты нашей работы по исследованию репарационных процессов показали, что клетки апикальной меристемы побега и меристем листьев обладали более высоким пределом устойчивости по сравнению с дифференцированными тканями проростка. Обращает на себя внимание тот факт,что несмотря на различную длительность стресса чистое время деятельности меристем листьев (за вычетом продолжительности стресса, во время которого рост прекращался) было таким же, как и в нормальных условиях. Это дает основание полагать, что система, определявдая время жизни клетки меристемы, весьма устойчива к различным повреждениям.

Учитывается, что широко используемый для характеристики скорости пролиферации учет штоти:чвского индекса очень трудоемок и недостаточно точен. В связи с этим использование в исследованиях функционального состояния меристем с помощью импунодиагно-стикума, созданного в ИФР РАН на основе пролиферативного антигена инициалей (ПАИ), могло бы открыть новые перспективы в этом направлении. Изучение с помощью ГШ штотической активности клеток меристем листьев и апикальной меристемы побега может дать сведения об организации пролиферации в меристемах, устойчивости данной популяции пролиферируицих клеток и ее адаптивных возможностей.

выводы

I. Скорость и продолжительность роста под воздействием осмотического стресса определялись фазой роста листа пшеницы. Отмечается большая устойчивость временного интервала роста листьев по сравнению со скоростью роста. . •'

'2. Наиболее устойчивыми к действию стресса оказались зачатки листьев, которые не достигли максимальной скорости роста. .3. В момент максимальной скорости роста ¡слеток растяжением лист проростка пшеницы наиболее уязвим к действию осмотического стресса, что и позволяет выявить- сортовую специфичность ответных . ростовых реакций.

4. Определены рвт:г стресс-обработки, возраст проростка и показатели, используя которые можно дифференцировать сорта по засухоустойчивости.1 : '

.5. Мезоструктура фотосинтетчческого аппарата пшеницы существенно варьирует в зависимости.от силы стрессового воздействия. В условиях засухи у обоих сортов формируется мелкоклеточный ассимиляционный аппарат с большими потенциальными возможностям, но сорт .интенсивного типа обладает меньшей мобильностью мезоструктуры, что проявляется в подавлении пролиферативных процессов.

6. Клетки апекса побега,и"меристем листьев обладают более высоким пределом устойчивости по сравнению с другими, дифференцированными тканями проростка.

7. При сохранен™ даже небольшого числа клеток меристема может восстановиться. Деятельность восстановленных меристем листьев продолжалась ровно столько времени, сколько было запрограммировано ходом развития. Это показывает, что система, определяющая время жизни клеток меристемы, весьма устойчива к различным повреждениям.

8. Установлено, что ПАИ, фенотипический маркер,, характерный для активно пролиферирующих клеток, позволяет оценивать функциональную активность клеток апекса стебля и меристем листьев в послестрессовый период. Отмечается различный характер- изменения ■ содержания ПАИ в процессе репаради-'t у засухоустойчивого я неустойчивого сортов пшеницы.

Список работ, опубликованных по теме диссертации■'.

1. Демченко O.A. Реакции эмбрионачьных структур яровой пшеницы на 2,4-Д и 2,4,5-Т в культуре vitro // Студенты - ускорению научно-технического прогресса. Саратов: Изд-во С1У, 1990.

3 стр. -

2. Демченко O.A., Кумаков В.А. Влияние осмотического стресса на рост надземных органов и корнер проростков яровой пшеницы /V Материалы научной конференции по сельскохозяйственной биотехнологии. Целиноград,1991. 2 стр.

3. Демченко O.A. Интенсивность восстановления роста в меристемах листьев проростков пшеницу в зависимости от длительности осмотического стресса // Конференция молодых ученых "Актуальные проблемы физиологии и генетики". Киев, 1992. I стр..

4>Evaeeva N..Deochenko 0..Goldobina L.,Volodarsky A. ,Kumakov 7. Investigation of the reparation prosses in tHe wheat atem under the exstrem conditions //8-th Congress of FE3P.Antwerpen. August.1992„ 1 p.

5. Демченко O.A., Березина O.B., Кумаков В.А. Влияние осмотического стресса на рост и пролиферацию клеток мезофилла листа пшеницы // Тезисы докладов ill съезда Всероссийского общества физиологов растений. С.-Петербург, 1993. X стр.'

Объем п.л. Заказ Í4 Т-лратс 100

Ротапринт СПИ.-410071 Саратов, й-гчурлна,92