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 ям. К.А. Тимирязева

■ Не преявх {Домятое -

ДйНЯШЗ Ольга Атжуфотя

ВЛИ5Е9Ш ОСаЮТИЧВСОШ СЗИЮСА НА. ГОСТ ГОИШ11Г НАУЗЙЮУ ОРГАНОВ ИРПВПЙ нишыну -

Опеоивльвость 03.00.12 - фявиодастя растений'

дксоертадая яа соиоканже учено! степени - дщцуцкл вшшичгавскюс ваук

Москва 1994

м \ «' ч • < > \ *

. * » »Л»' .111 * V \ » . • ' . » _ ' 1. I . , __

/ - '

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

. I ' * \ ^ »

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

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,профессор Жолкевкч'В.Н. кандидат биологических наук Пилыцикова Н.В.

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

Защита состоится £ ¿-¿¿{¿¿¿с* 1994 г. в /V 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 _2 Р 1994 г. ,

Ученый сакретарь специализированного совята -

кандидат биологических наук ^А.С.Лосева

Актуальность проблемы. Огромное влияние на рост растений оказывают обезвоживание и высокие температуры. Ответные реакции растений на эти факторы абиотической среды зависит от способности растений адаптироваться к мевягацимся 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 (Курс£нов,19?6; Мокроно сов, 1978).'

Особый интерес при исследовании засухоустойчивости пшеницы представляют такие вощгасы, как степень обратимости нарушений физиологических функций после засухи, полнота и скорость репарационных процессов (Кумаков,1987), то есть вся совокупность физиологических и морфогенетических 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 (Шматько,Григорюк,Шведова,1989).

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

Перед исследованием были поставлены следукщие задачи: '

I),Изучить влияние;осмотического стресса различной интенсивности и продолжительности на рост корней и надземных органов ■ проростков пшеницы и, в частности, , на отдельные фазы роста кле-гок (пролиферацию, растяжение).

2) Выявить различия

! указанрвагадиях :

научная а^блиотека ^:оск. ссльгкохоз ачадоыси и~|. к. а. ти.л.чр^шя

Инв. Ко^тЛ^П'

сортами разных экологических типов.

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

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

Научная новизна и практическая значимость работы. В работе впервые показана большая устойчивость вреггенного интервала роста листьев пшоницы в условиях осмотического стресса по сравнению со скоростью роста. С учетом подтвержденной з 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-структурноК организации листа в условиях осмотического стресса у сорта интенсивного типа и сорта традиционной селекции волжского степного экотипа, которые важно учитывать при селекции на высокую продуктивность и засухоустойчивость.

Впервые использован фенотипический маркер ПАИ, характерный для активно пролиферируыцих клеток, в целях изучения функционального состояния клегод апикальных меристем побега проростка и 1гаристем листьев в условиях осмотического стресса. Показан различней характер изменения содержания ПАИ в процессе репарации клеток апекса стебля и меристем чистьев 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 изу-' чения проли'Зеративных процессов в меристемах и для дальнейшей . > разработки методов диагностики засухоустойчивости. ' .• ' '/•'",.

Апробация работы. Основные результаты исследования щэедставле-ны на научной конференции по сельскохозяйственной биотехнологии■ Г . (Целиноград,1991), на 8-м Конгрессе Европейского общества физио-. логов растений (Antwerpen ,1992). Материалы диссертации докладывались на конференции молодых ученых "Актуальные проблемы физйо- ■ логик растений и генетики" (Киев,1992),.на 3-м съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург,1993), на научной конференции Саратовского сельскохозяйственного института (Саратов, 1994). - t : . ' * ■ • ^ .. • -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 методы исследования", 3-х глав экспери- : ментальной части, заключения,: выводов и соисх-а цитированной литературы из 115наименований, в том числе 44 на иностранных языках. Работа содержит 17 таблиц и 12 рисунков. " ' ' ■

ОБЪЕКТЫ ИСШДОВШЙ/ЖГОДЖА И УСЛОНШ ПР0В5ДЕНИЯ ОПЫТОВ

В качестве объектов исследований выбраны сорта яровой пшеницы, устойчивость и продуктивность которых была заранее известна (Кумаков',1985): Саратовская 29, Лютесценс 75В, Саратовская 48 ■ • (волжский 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.пловодадась на сортах•

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

Опыты проводились в лаборатории клеточной селекции и лаборатории физиологии растенлй НИИСХ Юго-Востока, лаборатории ишдуи-нохимии растительных клеток и тканей ИФР РАН в климатических камерах (температура 22° С, освещенность 25-30 тыс.люкс., влажность воздуха 60%). Осмотический стресс создавали, помещая корневую систему в питательный раствор Прянишникова с добавлением полиэти-ленгликоля (ПЭГ Mt6000, Serva #фрг).

Проводилось несколько серий опытов. В серии по 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 Ша). 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 ось.оги-чеокий стресс оценивали по изменению сухой биомассы корней и надземных органов, а также линейных размеров корней и листьев в сравнении с контролем (питательная среда без ПЭГ). Кроме того, в опытах с 5-суточныш проростками сортов Саратовская 29 и Опал определяли 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 ПАИ', в апикальных меристемах и интеркалярных меристемах листьев.

В следукхцей рерии опытов использовались 3-х суточные проростки сортов Саратовская 29 и Опал. Длительность стресса - 3 суток, кон ценграцм ПЭГ - 16 и 24%. Во время стресса и на протяжении репарационного периода препарировали часть проростков (п> 10) и каждые 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, размеры (длина, ширина) и число клеток (Березина О.В,.Корчагин Ю.Н., 1987). Плошадь 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 дайне.листа в начале суток..- 1

.. Опыты по изучению.функционального состояния 'клеток апекса -стебля и меристем листьев при действии" осмотического стресса с помощью ПАЧ б1'лц проведены совместно с' сотрудникам Группы итядун-1юхш.ш растительных клеток Й2Р РАН. • •"

. Выявление,' по.чучение ПМ описаны Евсеевой (1993). . • , . .

' Статистчческуг, обработку результатов акспертюнтоэ проводили по Доспехову (15с0). ■...-• _ ... .-,.;' • •

ВХ11ФШ ОСТТДЧЕСЖГО СТРЕССА НА росл: прогоопюв СОРТОВ ЯРО-. • вой яшдш раззи экологэтшмх .таю»; а тлдаз селкк- -

" ТЖОВАЙШХ. В КУЛЬТУРЕ 1Н;У1ГйО НА УСГОлФТВОСГЬ К ОСлЮГЛЧЗСЮт 1.17"СГГ20СУ-.. ■':■". У; •.'■'.-.''

' ''Повтегялв': осмо*аческэго давления срзжг стазалэсь как на фор-

пфовансги корневой слстега, так и на росте надземных оргшюа проростка. Рост в длину главного и пргдаточяых корнал,калео пиля, первого лис^а подавлялся в прямой завислгюсги от силы стрессового воздействия, уменьшалась сухая масса корней и надземных: органов (табл.1,2). Однако достоверные сортовые различия получо-ны только па приросту сухой масса за вреля стресса и в репарационный период. Именно этот ростовой показатель, характеризующий способность растения синтезировать органическле Ее4вства в неблагоприятных условиях, оказался наиболее инфорпативел 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 трехсуючные проростки, которые лмв-ли наибольший прирост сухой массы надземных органов во время стресс-обработки (табл.1). Сортовые различия проявились в опытах с Ф-х и 5-ти суточными проростками (табл.1,3,1). 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. Болрв того, 5-ти суточные проростки сортов Янус и Б.Арин да^е терял;! сухое вещество во время стресса (табл.1). Это, вида о, связано с возрастанием интенсивности дыхания в начале стресса. После 2-х суток стрессового воздействия заметно синение чихательной способности надземных отзганов йроростков обочх сортов, но в большей степени у неустойчивого сорта Опал. На третьи сутки репарационного периода проростки обоих сортов восстанавливали 1 «-тельную способноехь до контрольного уровня.

Б некоторых расзтах (Пи- ,19£Э) по диагност."" засухоустойчивости осеу л етсч строе, "Епиа л" гр?п,'я пр-у"0* г с-

личных по устойчивости-сортов пшеницы с использованием во время , осмотического стресса питательвых веществ эндосперлк. Учет сухой\ массы зерновки за время стресса различной продолжительности (4,6, 8 суток) показал, что у;опытных растений сорта Опзл сухое вещест-. во эндосперма убывало,' 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 режима свидетельствовал об уменьшении содержания воды в;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 (24% ПЭГ, продолжительность 2 суток) позволяет диф$ерен , цировать сорта по засухоустойчивости. • '."Г' .*-'•„" '

4 ч" • Таблица I • ..' :

Влияние осмотического стресса на прирост сухой массы надзем-' .' " ных оргадов разновозрастных проростков пшеницы,£ к контролю' -

: I • ' . Среднесуточный пр!фост сухой . » Сорта '! ■ •»ровень ,. -.массы за период стресса ■■..-, <

■X , . - | устойчивости .,. . , _. -. ¡З-суточн.! ¡проростки!. -4-с$точн;! проростки! 5-суточя."-;проростки

Саратовская^ ' ; УСТОЙЧИВЫЙ -.-'-' 49,2 . ; . 18,з 65,3'

Саратовская 48 к ' - к.. • '•' 42,1.

Лютесценс 758' • ' " ' * " У 25,5.: 18,1

, Опал,.;' ,. ': неустойчивый .60,6 . ; 5,з . ' , .2,9 : .

кБ.Арин - ' ■ \ - «' \ ' * * убыль сух.м.

' Янус '-'•'• •..-• '" -■' ' , ' - п ' - - 4,5. ' убыль сух.м.

х сорт в опыте не участвовал

Таблица 2

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

Сорта

Длительность стресса, сутки

4 1 6 I 8 1 12

97,0 65,6 54,8 37,0

87,7 92,3 78,0 29,0

62,5 57,7 48,7 25,2

64,3 55,0 69,1 33,1

Таблица 3

Саратовская 29 Лютесценс 758

Опал Янус

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

Сорта !тельность »стресса, | су тки 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 11,0 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 10,4*

Опал 12 1.6 14,7

Дюгесцено 758 12 8,2 18,2

Янус 12 убыль 20,1

к репарационный период длился 8 суток Этот ге режим стресс-обработки бил использован для изучения роотошх реакций проростков линий пшеницы селектированных в культуре in vitro на устойчивость к осмотическому стрессу. Основной цэльв неточной селекции на засухоустойчивость является по--:>чсгнв пр [знака заоухоустойччвости в потомствах растений-рзгеме-

I )

рантов. От растений-регеяерантов получали семена (Тучин и др., 1991). В наших опытах использовали 5 ¿уточные проростки 13 линий сорта Ершовская 32. По приросту сухого вещества за время стресса растение линий ранжировались следующим образом: две линии даже превышали по приросту стандарт Ершовская 32; некоторые имели'1 очень низкий прирост или даже теряли сухое вещество. Тем не ме--нее, большинство растений линий Ершовская 32 показывали высокий прирост сухой массы побега за время осмотического стресса/ что явно свидетельствует об их высокой "засухоустойчивости.. ■ Таким образом, во всех опытах с разновозрастными 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- специ|ичность ответных ростовых- реакций. .. ■. 1-' ВЛ'.ШГ-ИЗ ОСЖтаЧЕСКОП) СТРЕССА ПА РОСТ ЛИСТЬЕВ РАЗНЫХ ЯРУОЭВ •.Ч-- , ; ЯРОВОЙ ПШЕИШ Г. ; V1 - ;; / .Рост органа'определяется соотношением интенсивности деления и растяжения клеток,.и.это соотношение может меняться под влиянием внешнего'фактора среды (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 относительной скорости роста органа.У листьев пшеницы относительная скорость роста листа возрастает до выхода листа из почки, после чего она начиназт снижаться (Ва1е,м:Ш;Ьогре , 1РЗЗ).

Относительная скорость листа (рис.1) испытывав? резкие изменения и характеризуется несколькими мелкиш пиками и одним большим. У 3-х суточных проростков (рчс.1). 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 лиота "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 (1б£ ПЭГ) рост листьев в течение двух суток стрессового воздействия продолжался, хотя и с меньшей скоростью по сравнению с контролем. Остановка роста листьев к третьим суткам стресса осуществлялась в следувдей 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 метамеров.

Восстановление ростовой активности листьев определялось степенью дийвренциашш листа и скоростью его роста перед стрессовым воздействием. Первый лист проростков у.^е слы. ал скорость

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

Таблица 4

Влияние осмотического стресса на площадь листа, % к контролю

Сорт ¡Варианты}-Ппэ ,тдь ттгтьев-

, , I лчст , П лист , Ш лист

Саратовская 29 162 ПЭГ 70,3 82,6 96,3 24.1 ПЭГ 54,9 72,3 93,4

Опал I6Î ПЭГ 87,9 78,2 89,8

2U ПЭГ 75,9 66,6 94,4

Скорость растяжения клеток у второго листа была максимальной ко времени действия осмотического стресса и быстпо (ль 3-4 сутки) восстанавливалась в репарационный период. По велччине"боль-шого пика" видно, что у растений copia Саратовская 29 восстановление скорости роста было почти полным, в отличие от растений сорта Опал, у которого площадь второго листа существенно уьань-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 (слеток во время стресса и недостаточно полное ее восстановление в репарационный период.

Механизмы, определяющие продолжительность периода роста органа, мало изучены. Нет однозначной завгс п.'остч «-е^ду чсеяення-ки скорости роста и его продолжительности при разл1чных воздействиях ('Isjjjoe,I987). Нллянче осмотического стресса на прляол:сите лън ость роота аврыю шги изучал!' на 1-х суточ ьпс щгро'гках двух пар сортов: Саг-гл" ат 29 - 0 тал, Лютасдзнс- 75с - Лн'^.Дли-

тель.юсть стресса - 4,6,8 к 12 суто\(таб"1.>)•

Табтаца 5

Поодо стельность поста первого дчс.та в гсигостч от "длительности осмотического сгросса, сугтт

Сорта 1 1 Длительность стресса, сутки

[ контроль | 4 6 ! 8 1 •

Саратовская 29 10 14 16 18

Опал II 15 17 18

Лютесценс 758 II Г5 16 Г7

Янус П 15 16 17

Лродогеттельн^сть роста Глиста у рсех четырех сортов в контроле составляла 10-11 суток. По мере увеличения длительности стресса продолжительность роста увеличивалась. Однако если учесть,

ч

что во вреяя стресса .лет не рос, и вычесть из общей продолжительности роста врага ствесса, то продолжительность роста листа практически одинакова во зсах вариантах (Ь

Прлмзрь большей устойчивости временного интервала роста по сравнению со скоростью роста в литературе описываются. Так, в раоотах Рнтовок Л.Г. сделано предположение о том, что относительная устойчивость длительности йункционирования интеркалярных меристем определяет фэршрование редуцированных листовых структур в условиях, неблагоприятных для полного развития листа.

3 наших экспери* ентах обращает на себя внимание факт, когда в суперквстких условиях обезвоживания (длительность стресса - 12 суток) лиса зысыхе^л полностью, деятельность восстановленной почти с нуля в ррпарацлзьныи пар юд меристемы листа осуществлялась столько времени, сколько было и в контрольном варианта. Это подтверждает цалные (1в<лов, 19137) об устойчивости к различным поврегле-никм систем, счг,оделякивй всемя "изни "еристемапчаских кгаток.

0 1 £ 3..- 4 5 6 ' 7 . 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ' волраот пророотка.дин __ __

Рис;2, Длина,первого даста проростков.сортов Саратовская 29 _ (сплошные линии) и Опал (штриховые линии) в период стресса(2^ ПЭГ) и в репарационный период при различной продолжительности стресса: I -контроль; 2 - 4 суток стресса; 3 - 6 суток .стресса; 4 - 8 суток стресса. Стрелками обозначено время окончания действия стресса.

* начало'; стресса

ВЛИЯНИЕ ОСМОТИЧЕСКОГО СТРЕССА НА ПРОЛИФЕРАЦИЮ И РАСТЯЖЕНИЕ КЛЕТОК МЕЗОФИЛЛА ЛИСТА ПШЕШЦД

В условиях осмотического стресса у листьев обоих сортов сформировалась ксероморфная 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 стресга различной интенсивности на

основные параметры мезоструктуры первого листа >

Показатели !_Варианты_

Контрода ! 16% ПЭГ ! 24# ПЭГ

Саратовская 29

Площадь листа, см.2 , 3,95±0,12 2,78*0,01 2,17*0,09 Число клеток в I см.2х Ю3

ШТ. 69,2-13,91 115,4x7,82 84,2*5,06

Число клеток х Ю3 нгс,(налист)273,5 320,9 182,9

Объем клетки х Ю3 мкм.3 41,3 27,5 18,9

Длина клетки,мкм. 34,4=4,22 32,6*0,20 29,0*0,95

Ширина клетки,мкм. 27,6*0,97 22,2*0,03 20,410,45

Опал

Площадь листа, см." г 3,43*0,15 3,01*0,06 2,60*0,04 Число клеток в I см.^х 10Ь

ШТ. 90,2-^-5,84 108,1^8,09 82,9-^4,92

Число клеток х 10° шг(налист)з09,4 325,5 215,5

Объем клетки х Ю3 мкм.3 47,0 31,5 19,1

Длина клетки, мкм. Ь3,6-1,43 33,2*0,72 27,2-1,05

Ширина клетки .,9,8*0,98 24,6*-1,42 21,2*0,33

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

. личество клеток не только на единицу площади листа, но и целиком на весь орган. Оказалось',..' чтр:при- том и другом рассчете '; при меньшей концентрации осмотика в среде-количество клеток в . • листе увеличиваюсь по сравнению с контролем,, но в. большей сте-- пени у растений сорта Саратовская 29 (т'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 числаКлаток целиком на лист, показал, что про-' исходило;подавление пролиферативных процессов.у обоих сортов. 1 Подсчет числа клеток (на лист) в динамике показал, что во время стресса делений клеток у растений обоих сортов не происходило ' (табл.7). ' . .... . -•..:.■., '..-■'/

•*-•;'■' '■. ■ "V Таблица 7 - •

.Количество клетой.в первом листе во время стресса ив 'репарационный период,'тыс.шт. ;. \ ;

.'Время4взятия | Варианты | • *f> ^ . Сорта "•. .. .V

проб ; . , , ;———-1-;——-:-"

i ■ i .• : : ¡Саратовская 29 , опал

Перед стрессом Контроль "";' 119,8*11,8 , ,'..'•' I41,8*18,2 .

После З^х ' Контроль 185,4*7,3 - ' . ?4Q,0±I0,5 . : -суток '. •' 1Б% ПЭГ 125,4-4,8 ': "Л 142,2*5,3/

стресса ' : 24$ ПЭГ 'V 99,2^7,8 • 153,2±И,1

Через ; : ; Контроль . - 222,0А18,9 ' . . 272,6-23,1 " ' .1 сутки,; 16% ПЭГ. , : 236,0-12,4' ...-• 321,045,1

репарации. ";; -уШ ПЭГ;., . 213,618,7 - '.". . I69,8ilQ,I . <

Через"сутки после.снятия стрессового воздействия.процесс пролиферации (в варианте с 24ч- ПЗГ в'среде) в листьях сорта Саратов-, екая 29 шел примерно на уровне контрольного варианта, тогда как •у растений сорта Опал (при той же концентрации) наблюдали лишь незначительное увеличение количества клеток..

Таким образом, мезоструктура ¡отосчитс! ического аппарата пшо-ницы существенно варьирует в лависимосг/ от условий осмотического стресса, подавляя Фазу растяжения клеток мезоцмлла листа обоих сортов, осмотический стресс по-разному члиял на процессы пролиферации: сорт интенсивного типа обладал меньшей мобильностью мезоструктура, что проявилось в подавлении пролиферативных процессов.. аля экологически пластичного сорта Саратовская^29 было характерно увеличение число клеток мезофилла и формирование мал-коклеточного активного фотосинтетического аппарата, что способствовало более интенсивному накоплению сухого вещества в после-стрессовый период по сравнению с сортом Опал.

ИаУЧЕЫШ «/НК^ЮНАЛЫОГО СОСТОЯНИЯ КЛЕТОК АПЕКСА СТЕБЛЯ

И МЕРИСТЕМ ¿ИСГЬ*Я ЦРЛ ДЕЙСТВИИ ОСШШЧЕ&СОГО СТРЕССА С ПОШШЬЮ ПАИ

Исследование меристем в условияхНормы и при действии неблагоприятного фактора сопряжено с определенными методическими сложностями. Поэтому зажен поиск }енотипических маркеров, позволяющие оценивать функциональное состояние меристем (Володарский, 1985; Евсеева,1993). Группой иммунохимии ИФР РАЙ выявлен специ- . ФическиР белок ПАИ (пролиферативный антиген инициале»), характерный для активно пролидарлрующих клеток и тканей. Эти работы явились основанием для изучения послестрессовых репарационных процессов в апикальной меристеме побега и игористемах листьев проростков 2-х пар контрастных по засухоустойчивости сортов: Саратовская 29 - Опал, лютесценс 758 - Янус.

Опыты проводили сочиестно с сотрудниками лаборатории иммунохимии растчтслыих кладок и тканей под руководством Володарского А.Л.

"f-

„ /0 •

2000 ,

1500,'

1000

f

ТО I- 2 У 4 5 G 7 .0 9 10 . II I2¡ дни

, стре cí ■ .—.—— се пара; г-'я ':'-—.—*

■«", .• ■ Рис. ЗДзменение содержания ПАЙ' в* апексах стеблей совта Опагпгм' топаЬащ-А;клеток после осмотического p;ínecca (242 пэгдо суток),. Ua .," .зсжанне '

e?ím Контроль

100$ бнло принято содержание ПАТ п контрольном варианте сорта Сара-; товская 29 до стресса. • / '. V' i \ V '' ■ •

'-.'i - /0 800:'.

600

. OIÍOT

400

• 200 ■

■о а

í:.:

.s. •

■ъ

Sí > '

i

10 ¡TDñOO-

2 • Ь 4 5 : 6. 7 -репарация,

8. 9 10. II i:

дни

■ pui uhikj----———— , _ ——----—-—

. "'-„ Рис. ^Изменения "содети'шшя .ПАЛ в апоксах стпблов'.Саратовская' 29 при репарации клст.ок поело.осмотического.стрссса■ (24л ПЭТ£10. суток). ;Ua. ióO'á- было точнято оодЬтх&лцис; ПАИ Т) хоитоольном варианте сорта-' • • Сарптогстма. 29 по отрсоса. . ' ; " .' 'у . , ' ■

" ' ' сггэ Контроль . • сгз

Результаты опыта показали, что длителы.ьй стресс приводил к гибели тканей листьев проростка. Оводнеяной оставалась только апикальная меристема побега и прллегащма к ней чнтеркалярныв меристемы_листьав проростка. Однако после снятия стрессового воздействия в первые же часы поступления влаги в растения произошел всплеск пролиферативнок активности оставшейся неповрежденной 1асти мешстем проростка. Содержание ПАИ сразу после стресса резко увеличивается как у устойчивых, так и у неустойчивых сортов, причем в большей степени у сорта Опал. 2а репарационный период содержание ПАИ у сорта Опал становился меньше контроля в 2 раза, а у устойчивого сорта Саратовская 29 остается на контрольном уровне. При других режимах стресс-обрасотки

<

наблюдалась аналогичная картина (рис.З,4).Подобьое резкое повышение штотического индекса за счет стимуляции профазы и мета-фазы в литературе описывается ( hemque,Curvetto,"990 ). Но причины механизма, объясняющие это явление, еще недостаточно изучены (Иванов,1957).

Таким образом, результаты нашей работы по исследованию репарационных процессов показали различный характер изменения содержания ПАИ у устойчивого и неустойчивого сортов пшеницы, а уакжо большую устойчивость к осмотическому стрессу клеток апекса стебля и меристем листьев по сравнению с дифференцированными тканями проростка ( Svseeva.Deucheibco efc оД.,19Э2).

ЗАШШШЕ

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

Изучение ростовых реакций в.условиях осмотического стресса

" привели нас к выводам,. сделанным . и другими авторами (Шевелуха, и ДРО 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 биомасса растением. Именно этот ростовой показатель лучше всег'. отражает 4^эиоло:ическое состояние

, ; растительного организма в .стрессовых условиях, интенсивность и -' направленность ростовых процессов. -,

Оценка влияния осмотического стресса различной интенсивности нахфазы. роста клеток показала; что рост растяжением значи-1 тельно более чувствителен к стрессу,, причем в значительно боль- ,

шей 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 меньаей интенсивности не'подавлял и .'даже'стимулировал /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 стресс существенно снгасал интенсивность пролиферации и уменьшал общее'число клеток в листе.Реакция на стреее-процесса'про-

* ли-^ерзлии.и роста растяжением в конечном счете определяет ыезо-

■ структурную организацию листа, в частности,листья и устойчивых ■ и неустойчивых сортов приобретают . ?,ялкоклегочную более ксеро- •

' морфиую структуру, которая, по мнению некоторых авторов,, более

• эйсктична в условиях- засухи.; • ' ■';.' :

; Наличка сортовых различай .в ростовой..реакции клеток листа ->,-.• на .стресс явилось'основанием для. поиска и изучения-наиболее *

уязвимого к стрессу этапа онтогенеза листа пшеницы, а на основа этих исследований - разработки режима стресс-обработки, позволя-вдего дифференцировать сорта по засухоустойчивости. Работа в этом направлении продолжается с использованием эталонной коллекции контрастных по засухоустойчивости сортов яровой пшеницы, созданных в лаборатории физиологии растений ВДЙСХ £)го-Востока с нашим участием и представляющих богатый материал для исследований адаптивных возможностей генотипов различных по эколого-гео-гра$ическоцу 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 отреоса чистое время деятельности меристем\лиотьев (за вычетом продолжительности стресса, во время которого рост прекращался) было таким же, как и в нормальных условиях. Это дает основание полагать, что система, определяыцая время жизни клетки меристемы, весьма устойчива к различным повреждениям.

Учитывается, что широко используемый для характеристики скорости пролиферации учет митотического индекса очень трудоемок и недостаточно точен. В связи с этим использование в исследованиях функционального состояния меристем с помощью нмиунодиагностику ма, созданного в ИФР РАН на основе оролиферативного антигена инициалей (ПАИ), могло бы открыть новые перспективы в атом направлении. Изучение с помощью ПАИ мистической активности клеток меристем листьев и апикальной меристемы побега может дать сведения об организации пролиферации в меристемах, устойчивости данной популяции пролиферирупцих клеток и ее адаптивных возможностей.

ВЫВОДЫ -

I. Скорость и продолжительность роста под воздействием осмоти-веского стресса! определялись фазой роста листа пшеницы. Отмечается большая устойчивость временного интервала роста листьев по ■ . сравнения со скоростью роста. . . • , V " - "

* 2. Наиболее устойчивыми к действию стресса оказались зачатки 'листьев; ; которые- не достиглимаксимальной скорости роста. ■

.3,.В шшнт максимальной скорости роста клеток растяжением " ;Лист проростка пшеницы наиболее уязвим к действию осмотического стресса';' что и позволяет выявить-^ сортовую специфичность ответных' ростовых реакций. -'• . Л-/ ' '.' '.• '.> * V/ • . " -

*,' ; 4. 01^еделены ]-ежигг.о1'ресо-обработки, возраст проростка и показатели* "используя которые можно дифференцировать сорта по засухоустойчивости/' .. : - • ; — Г;'. ; :' .'■■_"'•' . ; . .

. .5. Мезоструктурафотосинтетического аппарата пшеницы существен но варьирует. в зависимости;от. силы стрессового воздействия. В условиях засухи.5! обоих.сортов формируется малкоклеточный ассимиляционный аппарат-с большими потенциальными возможностями, но сорт .интенсивного:типа обладает меньшей мобильностью мезоструктуры, что'проявляется'в подавлении: пролмферативных процессов. ; ' :. 6. Клетки апекса побега.и'меристем листьев обладают более высоким пределом устойчивости _ по сравнению с другими, дафференци-; рованными тканями проростка! ' * '

7. При сохранении,даже небольшого числа клеток меристема мо- '. жет 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 повре--вдениям..

8. Установлено, что ПАИ, фенотипический маркер, характерный для активно пролиферирующих клеток, позволяет оценивать функциональную активность клеток апекса стебля и меристем листьев в поелестрессовый период. Отмечается различный характер изменения содержания ПАИ в процессе репарацш* у засухоустойчивого ч 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 СЕ/, 1990. 3 стр.

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

3. Демченко O.A. Интенсивность восстановления роста в меристемах листьев проростков пшеницы в зависимости от длительности осмотического стресса // Конференция молодых ученых "Актуальные проблемы физиологии и генетики". Киев, 1392. I стр.

4>Evseeva N. .Demchenko 0.,Goldobina L. ,Volod£u-sky A. ,Kuoa5cov V. Investigation of the reparation proseas in the wheat otea under the exstrem conditions //8-th Congress of fESP.Antwerpen. Auguat.1992. 1 p.

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

Объем 1!ц п.л. ' Заказ /V . Тираж.100

" Ротапринт СГШ. 410071 Саратов, Мичурина, 92