Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ К ГИПОТЕРМИИ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ К ГИПОТЕРМИИ"

На правах рукописи

¿Яг*

ПРУДНИКОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ К ГИПОТЕРМИИ

Специальность 03.00.12 — Физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2007

Работа выполнена на кафедре ботаники в ФГОУ ВПО «Орловский государственный университет»

Научный руководитель- доктор биологических наук, профессор

Пузина Тамара Ивановна

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор

Кондратьев Михаил Николаевич

кандидат биологических наук, доцент Живухнна Елена Александровна

Ведущее учреждение: Институт физиологии растений им. К.А Тимирязева РАН

Защита состоится »¿у^-у-^ 2007 г у/^-^¿Часов на заседании диссертационного совета Д 220.043 08 при ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, Москва, Тимирязевская ул , 49.

С диссертацией можно ознакомиться в і > і

сударственного аграрного университета - МСЛ ш]

зева.

Автореферат разослан«» 'fir'^/0' >£

сети Интернет на сайте Университета www timacad i<

Ученый секретарь диссертационного совета ' с^—¿^х/*- . ; гча

ПАУ-МСЛА имгни К.А. Тимирязева ] ЦЧБ имени Н.И. Железнова ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА5РАБОФЫ литературы

! №_Д-Я7-/УЗ

Актуальность проблемы. В процессе эволюции в растительном организме выработались различные регуляторные системы (Кур-санов, 1984; Полевой, 1986; Опритов и др., 1991). Благодаря им осуществляется поддержание гомеостаза растения в различных условиях среды. Изучение регуляторных процессов и их взаимодействия — одна из центральных задач современной физиологии растений.

Трофическая система регуляции включает действие питательных веществ: органических и минеральных. Показано, что питательное значение микроэлементов ограничено, и на первый план выходит их регуляторная роль (Школьник, Копмане, 1970; Пейве, 1980). Надо отметить, что в регуляции физиологических процессов растений важнейшее значение придается фитогормонам (Якушкина, 1980; Полевой, 1982; Abeles et al., 1992). Однако данные по влиянию микроэлементов на гормональный статус растения немногочисленны и противоречивы (Школьник, 1974; Кутачек, Йирачек, 1974; Hossain et al., 1998; Li et al., 2001; Пузина, 2004). Особенно это касается микроэлемента селена. В единичных исследованиях (Вихрева, 2001; Солдатов, 2005) имеются сведения о действии селена на содержание отдельных групп фитогор-монов (цитокининов и гиббереллинов). Поэтому остается неясным насколько регуляторное действие селена опосредовано изменениями в гормональном балансе растений.

Селен обладает антиоксидантным эффектом. Он входит в состав ряда ферментов (глутатионпероксидазы, глутатион-8-трансферазы), принимающих участие в поддержании перекисного гомеостаза. Анти-оксидантные функции селена исследованы в основном на примере животных организмов (Chy et al., 1993; Gamble et al., 1997; Gantbe, 1999). Крайне мало работ по влиянию селена на антиоксидантную систему защиты растительных организмов (Вихрева и др., 2001; Кузнецов и др., 2003; Солдатов, Хрянин, 2004). Большинство исследований посвящено изучению обогащения растениеводческой продукции микроэлементом селеном в связи с его низким содержанием в почвах (Ермаков, Ковальский, 1974; Ylaranta, 1993; Машкова, 1998; Голубкина, 1999;).

В настоящее время практически не изучен характер взаимодействия гормональной и антиоксидантной систем в регуляции физиологических процессов. Вместе с тем показано, что между ними существует функциональная сопряженность (Веселое, 2001). Так, фитогор-моны могут активировать экспрессию генов ферментов антиоксидантной защиты (Xiang et al., 1996; Guan, Scandalios., 1998; Веселов, 2001), интенсифицируют окислительные процессы (Якушкина, 1983), по-

ставляющие активные формы кислорода (Basaga, 1990, Аверьянов, 1991, Владимиров, 2000, Dat et al, 2000) В свою очередь, компоненты антаоксидантной системы могут регулировать метаболизм фитогор-монов (Гуськов, 1991, Kim et al, 2000, Орлова, 2004) Поэтому изучение взаимодействия антиоксиданта селена и фитогормонов даст возможность наметить пути регуляции роста и продуктивности растений

Остается малоисследованной проблема регуляции физиолого-биохимических процессов растений с помощью микроэлемента селена в условиях стресса и последующей адаптации. Особенно это касается влияния температурного фактора (Вихрева, 2001, Солдатов, 2006) Протекторный эффект селена в условиях действия заморозков на растения не изучался Вместе с тем, для растений Solanum tuberosum (L ) на первых этапах вегетации температура (-1) — (-2°С) является губительной (Гупало, Гончарик, 1971)

Цель и задачи исследования:

Цель данной работы состояла в выявлении специфики физиоло-го-биохимического действия микроэлемента селена в растении картофеля при оптимальных температурных условиях и адаптации к гипотермии (-2°С) Одновременно уделяли внимание изучению чарактера взаимодействия селена и фитогормонов (ИУК) в регуляции физиологических процессов

В соответствии с этой целью были поставлены следующие экспериментальные задачи

- изучить влияние микроэлемента селена на гормональный статус 30-дневных побегов возобновления и листьев растений через 15 дней после появления всходов в условиях оптимальной температуры и при адаптации растений картофеля к гипотермии (-2°С),

- исследовать особенности действия селена на активность ферментов антиоксидантной системы (пероксидаза, каталаза) при адаптации растений к гипотермии,

- выяснить влияние селена на интенсивность перекисного окисления липидов мембран в оптимальных температурных условиях и при адаптации к стрессу;

- исследовать действие селена на фотосинтетическую деятельность (содержание пигментов, фотохимическую активность хлоропла-стов, чистую продуктивность фотосинтеза), интенсивность дыхания органов растений картофеля;

- выявить действие селена на ростовые процессы и продуктивность картофеля при адаптации к гипотермии,

- сопоставить изменения в гормональном балансе растений под воздействием селена с активностью антиоксидантных ферментов и интенсивностью физиологических процессов.

- установить характер взаимодействия антиоксиданта селена и ауксина в регуляции гормонального статуса, активности антиокси-дантной системы, интенсивности физиологических процессов;

- наметить пути повышения темпов роста и продуктивности растений картофеля с помощью микроэлемента селена и фитогормонов в стрессовых условиях среды.

Научная новизна. Полученный экспериментальный материал развивает представления об эндогенных механизмах физиологического действия микроэлемента селена в оптимальных условиях среды и при стрессе.

Впервые выявлены особенности влияния антиоксиданта селена на гормональный статус растений картофеля в оптимальных температурных условиях, при действии гипотермии (-2°С) и в первые часы последействия стрессора.

Впервые исследовано влияние селена на поддержание перекис-ного гомеостаза растения в условиях кратковременного действия отрицательной температуры.

Экспериментально обосновано, что действие селена на работу ферментов антиоксидантной системы, липопероксидацию мембран и интенсивность физиологических процессов, по крайней мере, частично, опосредовано специфическим изменением гормонального статуса растения.

Приоритетными являются данные по выявлению характера взаимодействия антиоксиданта селена и ауксина (при совместном применении) в действии на гормональный баланс, антиоксидантную систему, физиологические процессы и продуктивность растений картофеля.

Практическая значимость работы. Установленные закономерности действия антиоксиданта селена и ИУК при раздельном и совместном применении на физиолого-биохимические процессы в растении картофеля в оптимальных температурных условиях и при адаптации к гипотермии (-2°С) создают основу для использования селена и регуляторов роста в практике картофелеводства. Полученные в работе данные могут быть использованы в преподавании физиологии и биохимии растений, спецкурсах «Экологическая физиология растения», «Природные и синтетические регуляторы роста растений», «Физиологические основы минерального питания растений».

Работа выполнялась в рамках программы НИР Министерства образования и науки РФ, тема: «Регуляция роста и развития растений» (номер госрегистрации 6.34.31.00).

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на V съезде Общества физиологов растений России и приуро-

ценной к нему конференции «Физиология растений России — основа фитобиотехнологин» (Пенза, 2003), Всероссийских научно-практических конференциях «Продукционный процесс сельскохозяйственных культур» (Орел, 2004; 2006), Годичном собрании Общества физиологов растений России и приуроченной к нему Международной научной конференции «Проблемы физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004), III Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), Международной научно-практической конференции «Количественные методы и информационный потенциал энтомологии и апидологии» (Орел, 2005), Годичном собрании общества физиологов растений России и приуроченной к нему Международной научной конференции «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия» (Вологда, 2005), I (IX) Международной конференции молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2006), на научных семинарах кафедры ботаники Орловского госуниверситета (Орел, 2003 -2006)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы (3 главы), экспериментальной части (4 главы), заключения, выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Работа содержит 28 таблиц, 35 рисунков Список используемой литературы включает 271 источник, в том числе 84 зарубежных авторов

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследований были растения картофеля {Solanum tuberosum L ) сорта Скороплодный селекции ВНИИ картофельного хозяйства (Россия, Коренево)

Вегетационные, полевые и лабораторные опыты проводили в 2002 — 2006гг на базе агробиостанции и лаборатории физиологии и биохимии растений кафедры ботаники Орловского государственного университета

В почвенную культуру вносили оптимальные количества для картофеля азота, фосфора и калия (NaooPsoKiso). соответственно 2 3 г, 0 7г, 3 1г элемента на сосуд с 10кг серой лесной среднесуглинистой почвы, содержащей 0 23мг/кг селена В сосуде выращивали одно растение Площадь учетной делянки в полевом опыте - 28м2 В габора-торных условиях клубни картофеля помещали в ящики с увлажненными опилками и проращивали в начале в темноте, а после появления на поверхности субстрата побегов возобновления - в люминостате «Флора-1» при температуре 20±2°С и 14-часовом освещении

Варианты, опыта. Варианты опыта включали предобработку посадочных клубней (замачивание на 6 часов), а также опрыскивание растений через 15 дней после появления всходов 5.810"3мМ раствором Na2Se03 (2.6-10"3мМ Se), 5.7*10"5М раствором ИУК и смесью растворов ЫагБеОз+ИУК (в указанных концентрациях). Гипотермию создавали, помещая ящики с 30-дневными побегами возобновления в низкотемпературный шкаф (Т 25/01) на два часа при температуре -2°С. Листья 7 яруса срединной формации, срезанные с растений через 15 дней после появления всходов, подвергали одночасовой гипотермии (-2°С). Для выявления протекторных свойств селена в условиях последействия гипотермии на конечную продуктивность растений, материнские клубни с 10-дневными побегами возобновления подвергали воздействию 2х-часовой гипотермии (-2°С) и высаживали в почвенную культуру, а также в условия полевого мелкоделяночного опыта.

Для анализов отбирали средние пробы: 30-дневных побегов возобновления и их придаточных корней (лабораторные опыты); листьев седьмого яруса срединной формации через 15 дней после появления всходов; листьев, стеблей надземной части побегов, корней, формирующихся клубней в фазу бутонизации и цветения; клубней в конце вегетации растений.

Содержание ИУК, зеатина, АБК в органах картофеля определяли методом твердофазного иммуноферментного анализа (Кудоярова и др., 1986, 1990; Веселов, Кудоярова, 1990) с использованием реактивов фирмы "Уралинвест" (Уфа). Содержание гибберелловой кислоты (ГАз) определяли методом биологической пробы. Биотестом служили проростки гороха сорта Шустрик (ВНИИ ЗБК, Орел). В качестве стандартных растворов фитогормонов были взяты: ИУК, зеатин, АБК ("Serva", Германия), ГА3 ("Phylaxia", Венгрия).

Чистую продуктивность фотосинтеза определяли по методу (Ничипорович, Власов, 1961); фотохимическую активность хлоропла-стов - потенциометрическим методом по скорости фотовосстановления ферроцианида калия (Зеленский, Клементьева, 1969); содержание хлорофилла и каротиноидов — спектрофотометрически (Гавриленко и др., 1975). Интенсивность дыхания измеряли по количеству выделяющегося С02 в приборах для наблюдения газообмена при дыхании растений («Физприбор», Россия). Активность пероксидазы определяли методом Бояркина (Ермаков, 1987) с использованием бензидина; каталазы - по количеству выделяющегося кислорода при разложении Н2О2 (Ермаков, 1987); а-амилазы по количеству гидролизованного крахмала (Ермаков, 1987). Содержание малонового диальдегида — конечного продукта ПОЛ оценивали по реакции взаимодействия с тио-

барбитуровой кислотой (Стальная, Гаришвили, 1977) Содержание селена в органах картофеля и почве определяли спектрофлуориметри-ческим методом согласно МУК 4 1 033-95 (Тутельян и др, 1995) на спектрофлуориметре Hitachi MPF — 2А (Япония), крахмала в клубнях — на сахариметре ("СО-4", Россия) Объем корней измеряли методом Сабинина и Колосова (Третьяков, 1990) Ростовую активность органов определяли по относительной скорости роста

В таблицах и рисунках представлены средние арифметические из 3 — 10-кратных биологических повторностей и их стандартные ошибки Аналитическая повторность 5 — 7-кратная Результаты исследований были подвергнуты статистической обработке (Лакин, 1980) Достоверность результатов оценивали с помощью критерия Стьюден-та, считая достоверными различия при уровне доверительной вероятности выше 0,95. Компьютерную обработку данных осуществляли на IBM PC с помощью программ SPSS 11.5 и EXCEL

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Влияние селенита натрия на содержание и соотношение фитогормонов в растении картофеля в оптимальных температурных условиях и при адаптации к гипотермии

Фитогормоны являются одними из основных эндогенных регуляторов, определяющих ответные реакции растения на воздействие различных факторов внешней среды (Полевой, 1982, Кулаева, 1995) С целью выяснения реакции гормональной системы картофеля на воздействие селена проведены исследования изменений содержания ИУК, зеатина, ГАз, АБК в оптимальных температурных условиях, при 2"-часовой гипотермии (-2°С) и в первые часы последействия стрессора При обогащении клубней селеном, отмечалось существенное возрастание количества ИУК в побегах возобновления (рис. la), снижение содержания зеатина (рис. 16) и АБК (рис. 1в), в результате возрастало соотношение ИУК/АБК Увеличение ИУК возможно связано с ингибированием селеном активности ИУК-оксидазы, а уменьшение зеатина со снижением уровня пуринов — предшественников в биосинтезе цитокининов В читературе имеются такие сведения (Kwid et al, 1989)

При 2х-часовом воздействии отрицательной температурой (-2°С) в побегах возобновления произошли значительные изменения в гормональном статусе резко снизилось количество зеатина и ИУК, в меньшей степени - содержание АБК В ряде работ (Кузнецов и др, 1991, Hansen, 2000, Таланова, Титов, 2004, Пустовойтова и др , 2004) при действии других стрессоров отмечается возрастание уровня АБК

Тем не менее, как и в наших опытах, в исследованиях (Веселов и др., 2002) наблюдалось снижение количества АБК при действии гипотермии на растения.

■ • Контроль

-г—0-N328603

ИУК

- - Д- - ЫагЗеОЗ+ИУК

2 350-й 300« 250 -о

200 -^ 150г- 100-

^ 50-<ц

со 01 2 3 4 1 2 3 4

3 2,5 Н

о

(О

2 2,0

О

£ 1.0 ^

2

ъ? 0,5 ш

0.0

Рис. 1. Содержание ИУК, зеатина, АБК в побегах возобновления растений картофеля при адаптации к гипотермии.

1 — оптимальные температурные условия, 2 — 2х-часовая гипотермия, 3 — через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стресса.

Действие селена в условиях стресса проявилось в сдерживании падения уровня ИУК, зеатина и увеличении количества АБК.

Было важным изучить ответ гормональной системы растений, обогащенных селеном, в первые часы последействия стрессора, так как это дает возможность выявить первичные реакции, регулирующие процесс выхода растения из состояния стресса. Приведенные данные (рис.1) показывают, что селен способствовал более раннему восстановлению содержания ИУК до первоначального значения (в период между 4 — 24 часами после действия стрессора) и наиболее интенсивному накоплению абсцизовой кислоты. К 24 часам адаптации соотно-

шение ИУК/АБК существенно возросло за счет стабилизации накопления АБК.

Доказательством участия ауксина в регуляции процесса адаптации растений картофеля к гипотермии (-2°С) явились опыты с использованием экзогенной ИУК Обработка клубней ИУК повысила абсолютное содержание ауксина в побегах возобновления, особенно в период действия стрессора и в первые часы последействия (рисЛа)

л 8

2 Я

60 50 -40 ■ 3020 -10 0

п

Рис. 2. Содержание гибберелловой кислоты в листьях растений картофеля через 15 дней после появления всходов 1 - контроль, 2 - Ыа^еОз, 3 - ИУК, 4 - Ыа28е03+ИУК

Данные, полученные по совместному применению селенита натрия и ИУК, позволили выявить характер взаимодействия селена и ИУК. Отмечен синергизм в их действии на уровень ауксина, зеатина и АБК (рис.1), что может служить указанием на то, что селен и ИУК первоначально регулируют разные звенья метаболизма фитогормонов

В листьях селенит вызвал резкое возрастание гибберелчовой кислоты (рис 2), одновременно, существеннее, чем в побегах возобновления, снизил уровень АБК (рис Зв) Можно предположить, что противоположный эффект сечена на содержание данных групп гормонов связан с регуляцией метаболических «вилок» в их биосинтезе (Кефели и др., 1989).

При воздействии на листья срединной формации (7 ярус), отделенные от стебля, температурой -2°С в течение часа обработка селенитом вызвала аналогичные с побегами возобновления изменения в гормональном балансе (рис 3) В условиях последействия стрессора селен в большей степени, против побегов возобновления, увеличил уровень ИУК и зеатина в листьях По-видимому, в данном случае имела значение тканеспецифичность Синергизм селена и ИУК в действии на гормональный баланс проявился и в листьях

s

6-1 5 -4 -

, 2 -1 -0

3,0 1 2,5£ 8 2,0 £ 1

$ t

1.5 1.0 0,50,0

1234

Рис. 3. Содержание ИУК, зеатина, АБК в листьях растений картофеля через 15 дней после появления всходов при адаптации к гипотермии. 1 — оптимальные температурные условия, 2 — одночасовая гипотермия, 3 — через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стресса.

Таким образом, обогащение картофеля микроэлементом селеном оказало специфическое влияние на гормональный статус при адаптации растений к гипотермии (-2°С).

2. Влияние селенита натрия на работу ферментов антиокси-дантной системы и псрскисное окисление липидов в оптимальных температурных условиях и при адаптации к гипотермии

В адаптации растений к стрессовым условиям, наряду с фито-гормонами важное место занимает антиоксидантная система, нейтрализующая активные формы кислорода и сохраняющая структурно-функциональное состояние клеточных мембран (Bowler et al., 1992; Лукаткин, 2002; Трунова и др., 2003; Синькевич и др., 2006). Известно, что селен входит в состав глутатионпероксидазы и глутатион-S-трансфераз (Behne et al., 1988; Chy et al., 1993; Takahashi, 1995; Breusegem et al., 2001), однако важно изучить его влияние на работу

других ферментов антиоксидантной защиты, поддерживающих пере-кисный гомеостаз Данные такого рода противоречивы (Вихрева, 2001; Кузнецов, 2004) Отсутствуют сведения о действии селена на работу антиоксидантной системы в условиях кратковременного действия отрицательной температуры Чтобы установить функциональную взаимосвязь гормональной и антиоксидантной систем, важно было сопоставить изменения в активности ферментов - антиоксидантов под влиянием селенита с эндогенным уровнем фитогормонов Для доказательства наличия такой взаимосвязи были проведены опыты с экзогенной ИУК

Результаты проведенных экспериментов показали, что при оптимальных температурных условиях селен повысил активность анти-оксидантных ферментов - каталазы и пероксидазы, ответственных за дезактивацию перекисей (рис 4, табл 1). Увеличение активности отмечено как в 30-дневных побегах возобновления, так и в листьях растений картофеля через 15 дней после появления всходов на фоне повышенного содержания ИУК, ГА3 и их соотношения с АБК. Согласно данным литературы, ИУК образует комплексы с молекулами фермен-тов-антиоксидантов (Feldwisch et al, 1994), что, по-видимому, может изменять их каталитическую активность В наших опытах с экзогенной ИУК активность изучаемых ферментов также увеличивалась Не исключено, что ГА3 может оказывать активирующее влияние на экспрессию генов каталазы и пероксидазы В литературе имеются сведения о том, что гиббереллины на свету вызывают образование пероксидазы (Schopfer et al., 2001)

6 -i 5 4 3 2 1 0

5

4 4 3 3 2 2 -1 -1 -

- Контроль

- • - ИУК

3 4

—О-Na2Se03

- - Л- - Na2Se03+HYK

Рис. 4. Активность каталазы и пероксидазы в побегах возобновления растений картофеля при адаптации к гипотермии

1 — оптимальные температурные условия, 2 — 2*-часовая гипотермия, 3— через 4 часа после стресса, 4 - через 24 часа после стресса

Таблица 1. Активность каталазы и пероксидазы в листьях растений картофеля через 15 дней после появления всходов_

Вариант Каталаза, мл Ог/мин Пероксидаза, усл. ед.

Контроль 0.85±0.05 1.78±0.11

Na2Se03 1.36±0.08 2.29±0.14

ИУК 1.62±0.10 2.37±0.15

Na2Se03+HyK 1.54±0.09 2.55±0.16

В процессе действия отрицательной температуры (-2°С) позитивное действие селена на активность пероксидазы и каталазы несколько увеличилось, при существенном накоплении АБК, которая в условиях стресса, по данным (Guan, Scandalios., 1998), оказывает стимулирующий эффект на экспрессию генов ферментов-антиоксидантов. Максимальное усиление антиоксидантной защиты под воздействием селена отмечено в первые четыре часа после действия стрессора (рис.4). Этому периоду адаптации растений соответствовало резкое возрастание не только АБК, но и ИУК (рис.1), действие которой в ходе развития стресс-реакций связывают со способностью передавать сигнал внутрь клетки на геном, индуцируя механизм защиты, в частности, экспрессируя гены глутатион-Б-трансфераз (Xiang et al., 1996), каталазы (Guan, Scandalios, 2002). К 24 часам после стресса у растений, обогащенных селеном, наблюдали существенное уменьшение активности каталазы и пероксидазы по сравнению с контролем, что указывает на более раннее восстановление перекисного гомеоста-за.

В опытах с экзогенной ИУК при адаптации к гипотермии (-2°С) наблюдали стимуляцию активности ферментов, что подтверждает значение эндогенного уровня данного гормона и его соотношения с АБК в повышении устойчивости растений картофеля к действию стрессора. Совместное применение селенита натрия и ИУК усилило их стимулирующее действие на активность каталазы и пероксидазы, то есть проявился синергизм. Таким образом, селен и ИУК действуют на ферменты-антиоксиданты более или менее непосредственно.

Постоянно протекающий в мембранах процесс липопероксида-ции является чрезвычайно чувствительным к воздействию различных неблагоприятных факторов среды (Dat et а!., 1998; Tang et al., 1999; Лукаткин, 2002; Дерябин и др., 2003). Определение содержания малонового диальдегида — конечного продукта перекисного окисления ли-пидов мембран показало снижение его уровня под влиянием обработки селенитом на фоне активизации работы ферментов, утилизирующих перекиси (рис. 5).

В условиях действия отрицательной температуры селен почти полностью предотвращал увеличение интенсивности ПОЛ К 24 часам последействия гипотермии процесс липопероксидации у растений, обработанных селенитом, достиг бесстрессового уровня, тогда как в контроле процесс стабилизации ПОЛ еще продолжался Экзогенная ИУК также способствовала сохранению целостности мембран Больший эффект отмечен при совместном применении с селенитом натрия.

35 к 30

- 25

о

£ 20 о

1 5

I 10

§ 05 ■

00

—«-Контроль

-о-ЫагвеОЗ

- - л- - ИУК

- - а- - N825603

Рис. 5. Содержание малонового диапьдегида в побегах возобновления растений картофеля при адаптации к гипотермии. 1 — оптимальные температурные условия, 2 - 2х-часовая гипотермия, 3 — через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стресса

Таким образом, подавление процессов ПОЛ под влиянием селена при адаптации растений картофеля к гипотермии (-2°С), опосредовано активизацией ферментов антиоксидантной защиты при участии фитогормонов

3. Влияние селенита натрия на интенсивность физиологических процессов и продуктивность картофеля в оптимальных температурных условиях и при адаптации к гипотермии

Защитный эффект селена не ограничивается лишь его антиокси-дантным действием, а, очевидно, носит полифункциональный характер Он может распространяться на многие физиологические процессы растения Это следует из того, что селен, изменяя гормональный статус органов растения, может регулировать физиологические процессы и, как следствие, продуктивность

Дыхание растений. Усиление дыхания относится к первичным неспецифическим процессам при действии стрессоров (Селье, 1979, Полевой, 1989) Для выяснения вопроса о возможности регуляторного

действия селена на процесс дыхания изучали изменение интенсивности процесса при адаптации растений картофеля к действию отрицательной температуры (-2°С) К настоящему времени влияние селена на дыхание организмов в стрессовых условиях не исследовано. Согласно полученным данным, в оптимальных температурных условиях интенсивность дыхания у растений, обогащенных селеном, возрастала (рис 6) Такой результат может быть связан с большим содержанием в органах картофеля ИУК и соотношением ИУК/АБК Положительную роль ауксина в дыхательном обмене отмечали многие авторы (Жолке-вич и др , 1972, Якушкина, Кулакова, 1984; Пузина, 1999) В опытах с экзогенной ИУК также наблюдали интенсификацию дыхания (рис 6)

б

70

60 н

50 40

зо Н 20 10 о

161

14 -

У* 12 -

10 -

«■ч о 8 ■

о 6 -

2 4 -

2 •

0 •

-г-

1

1 •) ч « Контроль

-о— МагэеОЗ

ИУК

- - Д- - №25еОЗ+ИУК

Рис. 6. Интенсивность дыхания растений картофеля при адаптации к гипотермии

I— оптимальные температурные условия, 2 - гипотермия (-2°С), 3 - через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стресса а - побеги возобновления

б - листья срединной формации растений через 15 дней после появления всходов

В условиях действия стрессора (-2°С) селен несколько сдерживал нарастание дыхания на фоне возрастания АБК При выходе растений из состояния стресса селен ускорил стабилизацию процесса дыхания Уже через 4 часа после действия отрицательной температуры отмечено снижение интенсивности процесса В это время наблюдали более резкое увеличение абсцизовой кислоты В контрольных растениях торможение дыхания наступило позднее.

Сравнение динамики стабилизации дыхания разных органов картофеля под воздействием селенита выявило их разную чувствительность к отрицательной температуре Листья при одночасовой ги-

потермии (-2°С) медленнее выходили из состояния стресса. Физиологический механизм такой чувствительности может быть связан с более высоким содержанием ауксина (рис. 3). Стабилизация действия селена на процесс дыхания при адаптации побегов возобновления к гипотермии проявилась и при совместном применении с ИУК.

Фотосинтетическая активность растений. В настоящее время в малочисленных исследованиях получены неоднозначные результаты по влиянию микроэлемента селена на фотосинтетическую деятельность растений (Дианова, 1999; Серегина и др., 2001; Солда-тов, 2005; Гирева, 2005). Обогащение растений картофеля селеном не привело к достоверному увеличению хлорофилла в листьях, напротив, содержание каротиноидов существенно повысилось (табл.2). Изменения в пигментном составе происходили при уменьшении содержания

Таблица 2. Влияние селенита натрия и ИУК на показатели фотосин-

тетической деятельности растений карто< >еля

Вариант Содержание пигментов , мкг/г сухой массы Фотохимическая активность хлоропла-стов , мМ ферро-цианида / (мг Хл ч) Чистая продуктивность фото-*♦ синтеза , г/(м2 сут)

хлорофилл (а+Ь) каротиноиды

Контроль 760.4±58 21.1±2.0 11.3±0.7 0.95±0.05

Ыа28е03 790.2±61 35.5±3.3 16.2±0.9 1.24±0.07

ИУК 830.7±67 37.3±2.2 20.0±1.3 1.45±0.09

№28е03+ИУК 810.5±73 39.7±2.8 21.5±1.2 1.55±0.08

* листья 7 яруса срединной формации растений через 15 дней после появления всходов

** в период между бутонизацией и цветением

зеатина и повышении ГАз и ИУК. Экспериментальные данные ряда исследователей указывают на значение данных групп фитогормонов в биосинтезе хлорофилла (Кулаева, 1987; Муромцев и др., 1987; Кузьмина, 1997). Можно полагать, что сложившаяся гормональная ситуация под влиянием селенита не способствовала накоплению зеленых пигментов. Отсутствие эффекта наблюдали также и в опытах с экзогенной ИУК. Как следует из приведенных данных, селен снизил соотношение хлорофилл (а+Ь)/каротиноиды (22 против 36 в контроле) за счет увеличения доли каротиноидов в светособирающем комплексе листа. Наряду со светособирающей, каротиноиды выполняют и свето-

защитную функцию, заключающуюся в предохранении хлорофилла от фотоокисления активными формами кислорода (Карнаучов, 1988) Таким образом, можно полагать, что одна из протекторных функций селена связана с повышением уровня каротиноидов — низкомолекулярных антиоксидантов

Для определения потенциальных возможностей фотосинтетического аппарата использовали характеристику фотохимической активности изолированных хлоропластов (табл 2) Отмечено возрастание скорости фотовосстановления ферроцианида калия под влиянием селенита. Это может быть связано с изменениями в гормональном балансе листьев, способствующими ускорению переноса электронов (Скоробогатова, Якушкина, 1986, Кренделева и др , 1998). В опытах с экзогенной ИУК подтвердилась эта зависимость Не исключено, что положительное влияние селена на световые реакции фотосинтеза обусловлено его антиоксидантной функцией - ослаблением перекисного окисления липидов мембран хлоропластов (рис 5)

Интегральным показателем фотосинтетической деятельности растений является интенсивность ассимиляции углекислоты Обогащение растений картофеля селеном повысило чистую продуктивность фотосинтеза (табл 2), по-видимому, как за счет интенсификации первичных процессов фотосинтеза (ФХА хлоропластов), так и за счет активации ферментов, участвующих в ассимиляции углерода на фоне повышения уровня ГАз и ИУК. В литературе отмечается, что гиббе-реллины и ауксин активизируют работу РДФ-карбоксилазы (Ророуа, УакИпоуа, 1983, Назарова и др, 1992)

Стимулирующее действие селена на фотосинтетическую активность растений картофеля проявилось в большей степени при совместном применении с ИУК, что также может свидетельствовать о роли гормональной системы в регуляторной функции селена.

Ростовые показатели растений. Данные литературы по влиянию селена на рост и продуктивность растений весьма противоречивы (У1агап1а, 1986, Торшин и др, 2001, Ниловская, Серегина, 2003, Кузнецов, 2004) Во многом это зависит от применяемых доз селена При выяснении концентрационной зависимости действия селена на рост и продуктивность растений картофеля оптимальным оказался 5 8-Ю1 чМ раствор селенита натрия, содержащий 2 6 10 3 мМ селена

Оптимальная концентрация селенита натрия увеличила ростовые показатели побегов возобновления и их придаточных корней, выращенных в лабораторных условиях (табл 3) Больший стимулирующий эффект селена проявился на росте корней, что имеет важное значение для растений картофеля, характеризующихся слаборазвитой

корневой системой по сравнению с другими культурами (Гончарик, 1971; Коровкин, 2005).

Таблица 3. Влияние селенита натрия и ИУК на ростовые показатели побегов возобновления картофеля и их придаточных корней, выращенных в лабораторных условиях_ ._

Вариант Высота побега, мм Сырая масса побега, г Объем корневой системы, см3 Длина корневой системы, м

Контроль 37.29±2.51 0.73±0.02 3,26±0.23 4.04±0.32

Ыа^еОз 48.13±3.10 0.93±0.03 4.56±0.30 5.73±0.42

ИУК 54.74±4.65 1.01±0.06 4.97±0.39 6.41 ±0.44

Ыа^еОз+ИУК 58.37±4.09 1.12±0.07 5.08±0.38 6.81±0.47

Положительное действие селена на ростовые показатели органов картофеля сохранилось и на более поздних этапах развития растения (фаза бутонизации). И в данном случае, максимальный эффект проявился в росте подземных органов и, прежде всего, клубней (табл. 4). Это произошло на фоне усиления под воздействием селенита натрия фотосинтетической деятельности (табл. 2) и увеличения (на 30%)

Таблица 4. Влияние селенита натрия и ИУК на массу растений картофеля, выращенных в почвенной культуре (фаза бутонизации)_

Вариант Сырая масса, г на растение

листья стебли клубни корни общая масса

Контроль 84.5 60.6 41.4 10.7 197.2

±5.1 ±4.8 ±3.3 ±0.7 ' ±16.7

ИагБеОз 119.5 108.0 69.2 16.3 313.0

±8.3 ±8.1 ±4.4 ±1.0 ±23.7

ИУК 118.0 70.5 84.0 16.0 288.5

±7.1 ±3.5 ±6.1 ±1.0 ±19.5

№25е03+ИУК 131.0 110.0 73.2 17.4 331.6

±10.4 ±7.3 ±5.0 ±1.1 ±24.2

отношения сухой массы клубни/листья (0.66 против 0.51 в контроле), что косвенно свидетельствует об улучшении оттока ассимилятов в формирующиеся клубни.

Стимуляция роста растений под действием селенита отмечена на фоне снижения АБК, повышения количества ИУК и соотношения ИУК/АБК Такая гормональная ситуация способствует интенсификации ростовых процессов (Полевой, Саламатова, 1991; Пузина и др, 2000) Зависимость действия селена на рост через изменение эндогенного уровня ауксина, подтвердилась в опытах с экзогенной ИУК При совместном применении с селенитом они несколько усилили положительное действие на рост растений

С целью проверки протекторного действия селена на темпы роста в условиях адаптации к гипотермии, исследовали ростовую активность побегов возобновления и их корней через 14 суток после воздействия стрессора (-2°С) Сопоставление ростовой активности показало, что селен более чем на 20% уменьшил отрицательное действие і ипотермии на ростовые показатели (табл. 5). Это происходило на

Таблица 5. Влияние последействия гипотермии на ростовую активность побегов возобновления и их придаточных корней, выращенных в лабораторных условиях ___

Вариант Ростовая активность, %

сырой массы объема корне- длины корневой

побегов вой системы системы

* * ** <1 **

Контрочь 5 16 3 42 40 2 34 5 27 4.10

±0 28 *0.23 ±0.23 ±0 16 ±0.32 ±0 28

ИазЗеОз 6 99 5 22 5 28 3 48 6 56 5.99

±0 40 ±0 34 ±0 34 ±0 23 ±0 33 ±0 31

ИУК 10 82 8 91 5 72 3 72 7.24 6 80

±0 72 ±0 57 ±0 36 ±0 23 ±0 51 ±0.41

Ыа25е03+ 10 40 8 35 8 14 5.48 7.54 7.10

ИУК ±0 69 ±0 50 ±0 50 ±0 37 ±0 46 ±0 50

* оптимальные температурные условия

** через 14 суток после стресса (-2°С в течение двух часов)

фоне благоприятного для роста гормонального статуса более раннего по сравнению с контролем увеличения количества ИУК и повышения соотношения ИУК/АБК при адаптации растений (рис.1) В этой связи, имеют значение данные по влиянию экзогенной ИУК на темпы роста побегов, подвергшихся стрессу Как и в случае с селеном, ИУК уменьшила негативное действие отрицательной температуры на рост Эти данные подтверждают роль ауксина и его соотношения с АБК в адаптационном процессе растения

Продуктивность растений картофеля. Благоприятное влияние селена на массу клубней сохранилось до конца вегетации растений. Обработка селенитом натрия увеличила продуктивность картофеля (табл. 6). При замачивании посадочных клубней (почвенная культура) в 5.8-10'3 мМ растворе селенита, содержащем 2.6-10"3 мМ селена, масса клубней в кусте возросла на 37%. Меньший эффект отмечен при опрыскивании растений через 15 дней после появления всходов (полевой опыт). Прибавка массы клубней составила 23% (264.76ц/га против 214.24ц/га в контроле). Это произошло за счет увеличения доли крупных клубней в кусте при неизменном их общем количестве. По-видимому, селен повлиял не на инициацию клубнеобра-зования, а на собственно рост клубня. Возможно, имело значение существенное повышение уровня ИУК в растении картофеля, обогащенном селеном (рис.3). Первостепенная роль ауксина в процессе роста

Таблица 6. Влияние селенита натрия и ИУК на продуктивность растений картофеля_

Вариант Масса клубней, г на растение Количество клубней в кусте Доля крупных клубней в кусте,%

крупные мелкие

Почвенная культура*

Контроль 328±20 6.1±0.4 3.6±0.3 62.8±4.1

Na2Se03 448±27 8.5±0.5 1.9±0.1 81.7±5.7

ИУК 465±28 9.0±0.6 1.5±0.1 85.7±5.9

Na2Se03+HyK 492±30 8.8±0.6 1.8±0.1 83.0±5.4

Полевой опыт * *

Контроль 535.6±33.2 6.0±0.4 4.3±0.3 58.3±4.1

Na2Se03 661.9±39.7 9.4±0.6 2.3±0.2 80.3±5.8

ИУК 693.2±48.5 10.0±0.7 2.1±0.2 82.6±5.9

ЫагБеОз+ИУК 715.6±51.5 9.7±0.7 2.2±0.1 81.5±5.5

* обработка посадочных клубней ** опрыскивание растений

клубня после инициации клубнеобразования показана в опытах in vivo (Пузина и др., 2000) и in vitro (Аксенова и др., 2000). В опытах с экзогенной ИУК также показано, что повышение продуктивности картофеля произошло за счет увеличения доли крупных клубней в кусте. Эффект синергизма при совместном применении селенита натрия и ИУК на физиолого-биохимические процессы сохранился и в действии на продуктивность. Под влиянием обогащения картофеля селеном и ИУК изменилось и качество клубней. Содержание крахмала в клубнях

под воздействием селена возросло на 17.8% (83 4% против 65 6% по сухой массе на контроле), а ИУК - на 19 9% (85.5% против 65 6% по сухой массе в контроле)

Таблица 7. Влияние селенита натрия на продуктивность растений картофеля в условиях последействия гипотермии (почвенная культу-

Вариант Условия Масса Количество клуб- Доля

опыта клуб- ней в кусте крупных

ней, г крупные мелкие клубней

на рас- в кусте,%

тение

Контроль без стресса 318±25 5 7±0 4 3 6±0 3 60 0±4 5

последей- 243±17 3.9±0 3 6.9±0 5 36 1±2 8

ствие

стресса

КагБеОз без стресса 420±33 8 1±0 6 2 2±0.1 78 6±5 3

последей- 410±32 7 8±0 6 2 0±0 1 79 6±6 3

ствие

стресса

Оказав благоприятное действие на гормональную и антиоксидантную систему, ход физиологических процессов в условиях адаптации к I ипотермии (-2°С), селен снимал отрицательный эффект стрессора на продуктивность картофеля (табл 7)

***

Обобщая полученные резучьтаты, можно заключить, что ответ фитогормональной и антиоксидантной систем растения на обработку селенитом в оптимальных температурных условиях и при адаптации к гипотермии (-2°С) представляет собой комплекс взаимосвязанных реакций Селен, специфически изменяя гормональную ситуацию в органах картофеля, поддерживает перекисный гомеостаз через интенсификацию активности ферментов антиоксидантной защиты, что приводит к снижению липопероксидации мембран в клетках Одновременно, смещение гормонального баланса под влиянием селенита в сторону увеличения содержания ИУК, ГАз и их соотношения с АБК, а также сохранение целостности мембран активизирует окислительно-восстановительные процессы в растениях' фотосинтетическую деятельность и процесс дыхания Установленные взаимосвязи подтверждены в опытах с раздельным и совместным применением селенита натрия и ИУК В условиях температурного стресса (-2°С) селенит на-

трия заметно снизил падение уровня ИУК и зеатина, одновременно повысил количество АБК, что способствовало активизации антиокси-дантной системы, по-видимому, за счет экспрессии генов, ответственных за синтез ферментов - антиоксидантов. При продолжающемся накоплении АБК, количество ИУК достигло уровня бесстрессовых условий уже в первые четыре часа адаптации растений, а в контроле позднее. На этом фоне раньше произошло торможение процесса ли-попероксидации мембран. Селен как модификатор гормонального статуса органов картофеля и процесса ПОЛ в конечном итоге увеличил ростовую активность растений и их продуктивность. Положительный эффект селена был значительнее в условиях действия гипотермии (2°С).

ВЫВОДЫ

1. При адаптации к гипотермии (-2°С) протекторные свойства селена проявились в специфическом изменении гормонального статуса, пере-кисного гомеостаза, хода физиологических процессов растений картофеля.

2. В оптимальных температурных условиях под воздействием селенита натрия показано существенное увеличение ИУК, ГА3, снижение зеатина и АБК возрастание соотношения ИУК/АБК ГАз/АБК в растении картофеля. При действии гипотермии (-2°С) перестройка в гормональном балансе под влиянием селена состояла в возрастании количества АБК и сдерживании снижения уровня ИУК и зеатина. В первые 24 часа последействия стрессора селен способствовал более раннему восстановлению содержания ИУК до первоначального значения и наиболее интенсивному накоплению абсцизовой кислоты.

3. Повышению уровня ИУК и ГА3 под воздействием селенита натрия соответствовало увеличение активности каталазы и пероксидазы, сопровождающееся снижением содержания конечного продукта пере-кисного окисления липидов мембран — малонового диальдегида. В условиях действия стрессора (-2°С) активизация ферментов антиокси-дантной защиты под влиянием селена и торможение ПОЛ происходило на фоне возрастания АБК. В первые четыре часа адаптации подавление процессов липопероксидации происходило при наиболее интенсивном накоплении АБК и восстановлении уровня ИУК до значения бесстрессовых условий.

4. Физиологический ответ картофеля на действие селена опосредован специфическим изменением гормонального статуса и работой антиок-сидантной системы. На фоне более высокого содержания ИУК, ГА3 и их соотношения с АБК, снижения процессов ПОЛ, растения характеризовались более интенсивным дыханием, большей скоростью фото-

химических реакций в хлоропластах, увеличением чистой продуктивности фотосинтеза, активизацией темпов роста и повышением продуктивности Продуктивность возросла за счет доли крупных клубней при неизменном их общем количестве Протекторные свойства селена на ростовую активность и продуктивность картофеля проявились в большей степени при адаптации к гипотермическому воздействию

5 Опыты с обработкой ИУК позволили установить, что влияние микроэлемента селена на физиологические процессы, по крайней мере, частично опосредовано изменением содержания и соотношения фитогормонов, то есть гормонального статуса растений При совместном применении селена и ИУК выявлен характер их взаимодействия' отмечен синергизм в действии на гормональный баланс, активность антиоксидантной системы, ход физиологических процессов и продуктивность.

6 Выявлены пути изменения гормонального баланса и активности антиоксидантной системы с помощью экзогенной обработки растений растворами селенита натрия (5 8 103мМ), ИУК (5.7 10 5М) и их сочетанием Установленные закономерности гормональной регуляции работы антиоксидантной системы, физиологических процессов на целом растении в оптимальных температурных условиях и при адаптации к гипотермии (-2°С) создают основу для использования микроэлемента селена и регуляторов роста в практике картофелеводства и селекционной работе

СПИСОК РАБОТ, ОБУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Прудников П С Влияние бора на содержание фитогормонов в ростках картофетя в условиях низкой температуры // Тезисы докладов V съезда общества физиологов растений России и Международной конференции. «Физиология растений - основа фитобиотехнологии». Пенза, 2003 С 324.

2 Пу чина Т И , Прудников П С Влияние селенита натрия и ауксина на дыхание и рост побегов возобновления клубней картофеля при гипотермии // Тезисы докладов годичного собрания общества физиологов растений России и Международной научной конференции «Проблемы физиологии растений Севера» Петрозаводск, 2004. С. 152.

3 Пузина Т И, Кириллова И Г, Прудников П.С Фотохимическая активность члоропластов картофеля, обработанного антиоксидантами селенитом натрия и амбиолом // Тезисы докладов III съезда биофизиков России Т И Воронеж, 2004 С 448-449

4 Пузина Т И , Прудников П С , Якушкина Н И Фотосинтетическая активность растений картофеля при обработке селенитом натрия и

ауксином // Физиологические аспекты продуктивности растений. Часть 1. Орел: Издательский Дом «Орлик», 2004. С. 168 — 173.

5. Лузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Влияние селена на гормональный баланс и фотосинтетическую деятельность растений картофеля // Доклады РАСХН. 2005. №6. С. 7 - 9.

6. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Влияние селенита натрия на содержание фитогормонов в побегах возобновления клубней картофеля в условиях гипотермии // Международная конференция «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия» Вологда: ВГПУ, 2005. С. 146 - 147.

7. Прудников П.С., Пузина Т.И. Использование вариационно-статистического метода в анализе фитогормонов в растении картофеля // Международная научно-практическая конференция «Количественные методы и информационный потенциал энтомологии и апидо-логии». Орел: ОГУ, 2005. С. 127- 129.

8. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Влияние селенита натрия и ауксина на работу антиоксидантной системы и ростовые процессы растений картофеля // Регуляция продукционного процесса сельскохозяйственных растений. Часть I. Орел, 2006. С. 32—38.

9. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Селен как модификатор гормонального статуса растений картофеля в условиях гипотермии Н Вторые чтения, посвященные памяти Ефремова Степана Ивановича. Орел: Картуш. 2006. С. 12- 16.

10. Прудников П.С. Влияние селена на работу антиоксидантной системы в побегах возобновления клубней картофеля в условиях гипотермии // Материалы I (IX) Международной конференции молодых ботаников в Санкт-Петербурге. СПб ГЭТУ «ЛЭТИ». 2006. С. 188.

1,5 печ л

Зак 168

Тир 100 экз

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГЛУ - МСХА имени К А Тимирязева 127550, Москва, ул Тимирязевская, 44