Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ, ЭПИНА И ИХ СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ НА ГАЗООБМЕН РАЗЛИЧНЫХ МОРФОТИПОВ ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUM SATIVUM L.) В ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ И УСЛОВИЯХ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ, ЭПИНА И ИХ СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ НА ГАЗООБМЕН РАЗЛИЧНЫХ МОРФОТИПОВ ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUM SATIVUM L.) В ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ И УСЛОВИЯХ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА"

< На правах рукописи

КЛОЧКОВА Наталия Михайловна

ВЛИЯНИЕ ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ, ЭПИНА И ИХ СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ НА ГАЗООБМЕН РАЗЛИЧНЫХ МОРФОТИПОВ ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUM SATIVUM L.) В ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ И УСЛОВИЯХ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА

Специальность 03.00.12 — физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2004

Диссертация выполнена на кафедре физиологии растений Московской сельскохозяйственной академии им К.А Тимирязева (МСХА)

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАСХН, профессор Третьяков H.H.

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор Ннловская Нина Тихоновна, кандидат биологических наук, доцент Архангельский Николай Сергеевич

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны (НИИСХ ЦРНЗ)

Зашита состоится « _»_ 2004 г в _час на заседании

диссертационного совета Д 220 043 08<у«Московской сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева

Адрес 127550, Москва, Тимирязевская ул, 49 Ученый совет МСХА им К А Тимирязева

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСХА

Автореферат разослан «_»_2004 г

Ученый секретарь диссертационного совета — кандидат биологических наук

Карсункина Н П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в мире актуально увеличение производства .растительного белка для нужд населения и животноводства, важный источник которого в России - горох (Зеленов, 2001). В целях повышения устойчивости этой культуры к полеганию были созданы новые морфотипы с редуцированными в усики листочками (генотип я/я/ЛГОГО).. Однако урожайность таких сортов сильно снижается в неблагоприятные годы, что связано с меньшей устойчивостью безлисточковых морфотипов (особенно к засухе) (Новикова, 2002).

Для повышения устойчивости все шире используются синтетические регуляторы роста и развития растений. Однако положительный эффект наблюдается не всегда и существенно зависит от физиологического состояния и возраста растительного организма, способов внесения регуляторов роста. Для выяснения возможности применения синтетических аналогов фитогормонов требуются физиолого-биохимические исследования по разным морфотипам и сортам.

Значительный интерес представляет изучение регуляторов роста растений, по химической природе относящихся к группе стероидов. Установлено, что эпибрассинолид и его аналог (препарат эпин) стимулируют ростовые процессы (Прусакова, 1996). Исследования по действию эпина на ряд культур свидетельствуют об антистрессовом характере этого препарата (Третьяков,

Биологическая активность янтарной кислоты была обнаружена сравнительно давно (Дроздов, 1962). Усилившийся в настоящее время интерес к янтарной кислоте как стимулятору роста и продуктивности объясняется тем, что идет поиск препаратов, не опасных для человека и окружающей среды (Коф, 1999).

В этой связи целесообразно проводить исследования по изучению особенностей применения различных фиторегуляторов на горохе с целью уменьшения отмеченных выше недостатков этой культуры (Лаханов, 1995).

При сопоставлении листочкового и безлисточкового морфотипов важно учесть механизмы, компенсирующие сокращение ассимиляционной поверхности (Амелин, 2001), и провести прямые измерения интенсивности С02-газообмена на ценотическом уровне, сравнив ассимилирующую способность листочковых и безлисточковых растений. Детальное изучение новых морфотипов важно не только для селекционеров, но и для совершенствования технологии возделывания уже районированных сортов.

Точно оценить адаптивный потенциал растений можно только по комплексу показателей, включающих морфологические, биофизические и физиологические критерии. Считается (Селье, 1972; Генкель, 1982; Ж ~

2001).

2002), что наиболее резистентны растения, которые при неблагоприятном водном режиме сохраняют активность физиологических процессов, регулируемых разного рода системами (гормональной, трофической, электрофизиологической и др), на более высоком уровне

Адаптивный потенциал растений можно оценить по тому, как соблюдается баланс между энергозатратами, идущими на защитно-компенсаторные реакции, и способностью их восполнять в процессе фотосинтеза (Веселова, 1993) Его можно контролировать, измеряя СОг-газообмен растений в ходе процессов дыхания и фотосинтеза Конечный адаптационный эффект, в виде полученного урожая, определяется характером суточного метаболизма, обусловленного процессами, проходящими как на свету, так и в темноте (Аканов, 1998)

Диссертационная работа выполнена по проекту федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг », контракт от 31 07 02 г Jf« Б0023/1046 по теме «Разработать методические подходы к комплексной физиологической оценке составляющих адаптивного потенциала ряда сельскохозяйственных кутьтур дтя целей сетекоти и адаптивного растениеводства» (УДК 581.1 631 627)

Цель и задачи исследования Цеть настоящей работы - изучение комплекса физиологических показатетей ряда морфотипов гороха посевного (фотосинтетический и дыхательный газообмен, биоэтектрические потенциалы и морфофизиологические особенности роста и развития) в связи с оценкой их устойчивости и продуктивности в усчовиях корневой jjcvxh и при действии янтарной кислоты и эпина

Для достижения цети решали следующие задачи

1, Изучить влияние янтарной кис юты и эпина на ростовые процессы и продуктивность гороха 4 * морфотипов (листочкового сорта, усатого сорта с редуцированными листочками, морфотипа хамелеон, усатого сорта с редуцированными листочками и прилистниками) в оптимальных и засушливых условиях Определить оптимальную концентрацию эпина применительно к гороху различных морфотипов, а также эффективность обработки семян и вегетирующих растений в полевых условиях

2 Оценить влияние янтарной кислоты и эпина на баланс СОг (фотосинтетический и дыхательный газообмен) растений гороха посевного, характеризующихся нормальным и безлисточковым типом листа

3 Усовершенствовать методику определения фотосинтетического и дыхатечьного газообмена микроценоза растений гороха с использованием ИК-газоанализатора и специальной факторостатной установки

4. Изучить влияние ФАВ на биоэлектрические потенциалы гороха, а также определить топографию современных сортов гороха с нормальным типом листа и редуцированными листочками и их роль в сигнальной системе растений.

5. Изучить возможность моделирования корневой засухи на ранних этапах онтогенеза (разные осмотики) в сопоставлении с результатами, полученными в более поздний период на почвенной культуре.

Научная новизна. Впервые применительно к культуре гороха выявлено влияние эпина и янтарной кислоты на СОг-газообмен микроценоза безлисточкового и листочкового морфотипов в оптимальных и засушливых условиях, определена оптимальная концентрация эпина для обработки семян гороха. Проведена оценка адаптивного потенциала по комплексу физиологических показателей (морфофизиологические особенности роста и развития, водообмен, фотосинтетический и дыхательный газообмен). Определен С02-газообмен на базе усовершенствованной газометрической системы на ценотическом уровне, в то время как в большинстве проведенных исследований определение газообмена проводят на отдельных листьях или листовых высечках; исследован суточный баланс СОг на уровне ценоза новых морфотипов гороха в течение онтогенеза. Одновременно с СОг-газообменом определена разность биоэлектрических потенциалов при обработке растений регуляторами роста и изучена топография биопотенциалов современных сортов гороха с нормальным типом листа и редуцированными листочками.

Практическая значимость. Определены пути повышения продуктивности и устойчивости растений гороха при обработке янтарной кислотой и эпином. Предложено использование янтарной кислоты для обработки семян гороха листочкового и безлисточкового морфотипов с целью ускорения развития корневой системы растений, а также эпина для безлисточковых сортов для более быстрого развития надземной массы в начальный период вегетации. Для оценки устойчивости к корневой засухе представляется возможным использовать данные суточного баланса С02 в целях ранней диагностики сортообразцов по применяемой в исследованиях методике.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывали на: на 52"" и 53'" студенческой научной конференции (Москва, 1999; 2000), VI международной конференции «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 2001), международном симпозиуме «Растения в условиях неблагоприятных факторов окружающей среды» (Москва, 2001), научной конференции молодых ученых и специалистов МСХА (Москва, 2002), на V съезде физиологов растений (Пенза, 2003), научной конференции МСХА (Москва, 2003), научно-практической конференции «Продукционный процесс культурных растений в Центральной России» (Орел, 2004).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ и 2 работы находятся в печати

Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 202 страницах машинописного текста Содержит 27 таблиц, 52 рисунка и состоит из введения, обзора литературы (4 главы), экспериментальной части (5 глав), выводов и приложения Список цитированной литературы включает 480 наименований, из них 79 на иностранном языке

» * *

Автор благодарит доктора биологических наук Леонида Александровича Паничкина за содействие в проведении опытов

Особую признательность и искреннюю и глубокую благодарность автор выражает кандидату технических наук, ведущему научному сотруднику лаборатории потенциальной продуктивности растений Всероссийского института агрохимии Эдуарду Николаевичу Аканову за постоянное внимание, помощь и поддержку в работе

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследований служили 4 чорфотипа гороха посевного листочковый сорт Орловчанин, морфотип хамелеон сорта Альтаир, сорт Норд с редуцированными листочками (безлисточковый) селекции ВНИИЗБК г Орел, а также сорт Филби, с редуцированными листочками и прилистниками из Великобритании

Работа выполнена на базе кафедры и лаборатории физиологии растений МСХА, лаборатории биофизики, лаборатории потенциальной продуктивности растений Всероссийского института агрохимии в 1999-2004 гг Исследования включали 7 лабораторных, 2 вегетационных и полевой опьггы

Планируемым экспериментам предшествовала серия лабораторных опытов, в ходе которых изучали влияние различных концентраций дайна на всхожесть и ростовые параметры гороха (определена оптимальная концентрация - 10 ,5М) Аналогичные результаты получены как для листочкового, так и безлисточкового (иорфотипов, что свидетельствует о сходном влиянии препарата на разные сорта

В течение 2"х часов семена гороха обрабатывали растворами регуляторов роста (янтарной кислоты - 0,1 г/л, эпина - 10 15 М, а также смесью янтарной кислоты 0,05 г/л и эпина 10"15 М), контрольные семена замачивали в воде Опыты включали следующие варианты 1 Обработка семян и растений янтарной кислотой (ЯК), 2 Эпином (ЭП), 3 Смесью янтарной кислоты и эпина (ЯК+ЭП), 4 Необработанные растения в условиях засухи (Кз), 5 Необработанные растения в оптимальных условиях водообеспечення (К)

Для создания условий водного дефицита в лабораторных опытах (3 сут.) в качестве осмотически активных веществ использовали растворы сахарозы (18 и 10 атм.) и полиэтиленгликоля (10 атм.). Результаты предварительно проведенных опытов по оценке осмотиков на дыхательную функцию показали, что предпочтительнее использовать полиэтиленгликоль (ПЭГ-6000) индифферентный, практически 'непроникающий в ткани растений осмотик. Однако большинство исследований (особенно в селекции) по оценке засухоустойчивости проводят на растворах сахарозы, для которой четко разработан регламент применения. В связи с этим для получения более достоверных результатов мы использовали оба осмотика.

Рис. 1. Схема установки для измерения С02-газообмена микроценоза СО?-газообмен измеряли последовательно в оптимальных условиях, в динамике в течение первых часов и суток действия засухи,. а также после прекращения водного дефицита. Определение СОг-газоообмена проводили на

самописец

микроценозе, помещая поочередно чашки Петри или сосуды с растениями в прозрачную герметичную камеру (рис 1), соединенную по «замкнутому» контуру с инфракрасным газоанализатором (ГА) «Кедр» (0-0,05% С02) Благодаря этому, во-первых, снижалось влияние индивидуальных особенностей растений на результаты измерений и, во-вторых, учитывался ценотический фактор в адаптивных реакциях

В качестве камеры использовали эксикатор, у которого толстое стекло верхней части крышки было заменено на тонкое (4 мм), с установленным контактным термометром, по сигналу которого включался холодильный агрегат (х а.), когда температура внутри камеры превышала заданную величину (21°С) Холодильный агрегат охлаждал воду в боксе, внутри которого был установлен эксикатор Для сглаживания перепадов давления, возникающих в замкнутом объеме при регулировании температуры, к камере был присоединен гибкий воздушный демпфер Процесс изменения СО;-газообмена микроценоза представлен в виде непрерывной развернутой во времени записи на тенте самописца

Учитывая сходную реакцию растений на солевой и водный стресс, была проведена оценка влияния «физиологической» сухости почвы, создаваемой растворами солей различной концентрации, на рост безлисточкового и листочкового морфотипов по традиционной методике (Третьяков, 1990)

Функциональное состояние растений можно оценить при регистрации разности биоэлектрических потенциалов (РЭП), которую опредетяли экстраклеточно, контакт электродов с растением осуществлялся через хлопчатобумажные фитили, смоченные водопроводной водой (Паничкин, 1990) Растения обрабатывали регуляторами роста непосредственно перед определением РЭП (0,05 мл/л ЭП и 10 мг/т ЯК) Через 1 час посте обработки проводили первое измерение РЭП, которое повторяли через 2 и 3 часа, а также на З1 и 3' сутки Синхронно с определением РЭП измеряли в динамике С02-газообмен растений гороха на свету

Для вегетационных опытов 6-дневные растения пересаживали в сосуды с дерново-подзолистой среднесуглинистой почвой В опытах исследовали влияние краткосрочного дефицита водоснабжения (10 сут), действующего в разные периоды онтогенеза в фазу 5-6 настоящих листьев (III - IV этап органогенеза (по Ржановой)), в фазу бутонизации (VI - VII этап органогенеза) В первом опыте регуляторами роста обрабатывали семена по вышеуказанной методике. Во втором — вегетирующие растения в фазу бутонизации перед наступлением засухи (0,05 мл/л ЭП, 10 мг/л ЯК) Устовия водного дефицита создавали прекращением полива в течение 10 дней влажность почвы поддерживали на уровне 30% ППВ, на 11 "е сутки ее поднимали до прежнего уровня (70% ППВ)

В опытах определяли ряд показателей водообмена: оводненность листьев, интенсивность транспирации, водоудерживающую способность, эвапотранспирацию традиционными методами (Гусев, 1962; 1982; Кожушко, . 1976); толщину листовой пластинки измеряли тургометром, разработанным в лаборатории водного обмена института физиологии и биохимии растений,-Молдова (Кушниренко, 1995). В условиях эксперимента не наблюдалось полегания растений.

В полевом опыте проводилось сравнительное изучение действия препаратов на 4 морфотипа гороха при обработке семян и опрыскивании вегетирующих растений в фазу бутонизации (по указанной выше методике). Растения выращивали в условиях Московской области, на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, характерной для Нечерноземной зоны.

Посев и уборку проводили вручную; уход за растениями выполняли в соответствии с методическими рекомендациями по выращиванию гороха в Нечерноземной зоне (Чухнин, 1983). Вегетационный период 2003 года характеризовался сухой и жаркой погодой в начале вегетации и избыточным увлажнением, прежде всего, во время налива. В период проведения полевого опыта определяли биометрические показатели морфотипов, а также содержание хлорофилла (Тарчевский, 1995); определяли структуру урожая.

Результаты экспериментов статистически обрабатывали с использованием программы Microsoft Excell 97, а также программы Straz. На графиках и таблицах представлены средние арифметические данные (Доспехов, 1985).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

I. Влияние янтарной кислоты и эпина на морфобиологические показатели гороха посевного

В течение вегетации наибольшей высотой отличался сорт листочкового типа Орловчанин (94 см), а наименьшей - сорт с редуцированными листочками и прилистниками Филби (56 см); промеждуточное положение занимают морфотип хамелеон (84 см) и безлисточковый сорт Норд (74 см). К фазе зеленых бобов все морфотипы прекратили рост в высоту, т.к. наиболее мощными аттрагирующими центрами стали плоды.

При обработке регуляторами роста максимальную высоту имели растения, обработанные' эпином у листочковых и безлисточковых морфотипов до конца вегетации, что подтверждает ростактиаирующую роль брассиностероидов (на 1530% выше по сравнению с контрольными растениями).

В условиях засухи растения безлисточкового сорта сильнее снижают рост в высоту (табл. 1), что свидетельствует о меньшей устойчивости, связанной с

низкой эффективностью репарационных процессов Растения, обработанные препаратами, в засушливых условиях снижали рост в высоту в меньшей степени, что свидетельствует о поддержании более активного метаболизма при обработке ФАВ. Действие препаратов на рост проявляется и после нормализации влажности почвы' рост растений увеличился, особенно при обработке эпином (в среднем на 60%), в то время как у контрольных растений (Кз) прирост остался постоянным

Таблица 1

Влияние ФАВ на изменение высоты растений гороха различных морфотипов __последовательно в оптимальных и засушливых условиях см

Фенофазы

ОРЛОВЧАНИН

НОРД

ЯК IЭП ЯК-ЭП I Кз I К ЯК ' ЭП 1ЯК+ЭП I Кз

К

4-5 н л (70% ГТПВ)

7,3 '9,0

8,6

7,0 6,8 | 7,9

8,3 7,9 7.0 7,6

6.3 17.2

6.7

,4,7 ,7,4 5,8 16,1

5,5

,3,4 ¡7,7

5-6 н.л 1(30% ППВ)

У сорта Альтаир различий между обработанными и контрольными растениями не наблюдали Этот новый морфотип (хамелеон) представляет собой перспективную модель гороха посевного (Зеленов, 2001), и очевидно, не нуждается в дополнительном экзогенном введении ФАВ

Полученные данные тесно коррелируют с таким показателем, как чисто листьев Исключение составляет сорт Фи той, который характеризуется минимальной высотой при большем числе тистьев, что можно объяснить уменьшением длин междоузлий данного генотипа, связанное с компенсаторными механизмами

Для современных высокоурожайных сортов характерны прилистники с высокой удельной поверхностной плотностью (Амелин, 2001)

Таблица 2

Влияние ФАВ на тишину листовой пластинки гороха безлисточкового и

Фенофазы ОРЛОВЧАНИН НОРД

ЯК ЭП 'якоп Кз К ЯК ЭП ЯК+ЭП1 Кз К

4-5 н л (70% ППВ) 1,39 1,21 1 М4 1,07 1,05 1,75 1,59 1,57 1,49 1,49

5-6 н л (30% ППВ) ..25 1,13 1 1,01 0,88 1 1,09 11,63 ! 1,41 1 ""5 1,15 1,51 ........

Максимальной толщиной чистовой пластинки в оптимальных и засушливых условиях (табл. 2) характеризовался сорт Норд, что согласуется с данными А В Амелина (2003) о большей удельной поверхностной плотности прилистников безлисточкового морфотипа (0,43 г/дм') по сравнению с

листочковым (0,39 г/дм2). Большая толщина прилистников отмечена у растений, обработанных ЯК.

В условиях засухи толщина листовой пластинки уменьшилась. Меньшее снижение этого показателя наблюдалось у растений, обработанных ЯК, что свидетельствует о повышенной влагоудерживающей способности.

Все изученные морфотипы характеризовались сходной динамикой изменения содержания хлорофилла в течение вегетации: максимальное содержание наблюдалось в фазу цветения (32 мкг/см2); концу вегетации происходит плавное снижение. Достоверных различий между морфотипами, а также действие препаратов на данный показатель не отмечено.

Ранее нами были получены данные (Клочкова, 1999), подтверждающие стимулирующее действие ЯК на содержание хлорофилла в опыте с яровой пшеницей сорта Энита при определении содержания хлорофилла в и в на спектрофотометре (Третьяков, 1990). В оптимальных условиях растения, обработанные ЯК, имели большее содержание хлорофилла (7,74 мг/г сухой массы), по сравнению с необработанными (5,99 мг/г сухой массы); в неблагоприятных условиях различия между обработанными и контрольными растениями увеличивались (ЯК - 8,70; Кз - 4,22 мг/г сухой массы).

Отсутствие влияния препаратов на концентрацию хлорофилла может быть объяснено тем, что этот показатель не является лимитирующим звеном в формировании урожая современных сортов гороха (Амелин, 1997).

Наиболее интегральный показатель уровня жизнедеятельности растений -накопление биомассы. В фазе 6-7 настоящих листьев (н.л.) максимальная сухая масса отмечена у морфотипов, имеющих листочки (сорта Альтаир и Орловчанин), а минимальная - у сорта Филби.

При действии засухи у растений снижается скорость накопления/сухого вещества; в период репарации наблюдается восстановление этой функции. Большей сухой массой характеризуются растения, обработанные эпином (на 1020%); к 19"му дню эти растения по уровню накопления биомассы приближаются к контрольным (К). Минимальная - у необработанных, но подвергшихся засухе растений (Кз). Полученные результаты подтверждают данные об антистрессовых свойствах препаратов. У обоих сортов наблюдаются аналогичные закономерности, что свидетельствует о сходном действии регуляторов роста на различные морфотипы гороха посевного.

Максимальной длиной корневой системы характеризовался листочковый морфотип и хамелеон (в среднем на 25% больше безлисточковых сортов). Это объясняется тем, что генетически детерминированное уменьшение массы и площади листьев оказывает отрицательное влияние на развитие корневой системы, сопоставимое с искусственной дефолиацией (Новикова, 2002).

Большая длина корневой системы была у растений, обработанных. ЯК (на 3060%), что важно для гороха (особенно безлисточкового морфотипа)

Интенсивное образование клубеньков (более 20 шт /растение) в фазу 5-6 н л отмечено у листочкового морфотипа и хамелеона Безлисточковые сорта характеризуются слабой (менее 14 шт /растение) азотфиксацией, вызванной недостатком ассимилятов в связи с меньшей фотосинтезирующей поверхностью Максимальное количество клубеньков наблюдается при обработке ЯК (на 3040% больше контрольных растений) Предполагается влияние данного препарата на активность цитокининов, стимулирующих образование клубеньков на корнях бобовых растений, что увеличивает азотфиксацюо и рост обработанных сортов

По сухой массе корневой системы наблюдается га же закономерность в фазу 5-6 н л. максимальный показатель отмечен у морфотипа хамелеон (125 мг), а также листочкового сорта (110 мг), а минимальный — у сорта Филби (44 мг)

На структурно-функциональном уровне устойчивость растений определяется сохранением баланса ме^ду надземными органами. осуществляющими фотосинтетическую функцию, и подземными частями растения, обеспечивающими попощеняе минеральных этементов и воды (Рахманкулова, 2002) К 5 Mv дню у сорта Орювчанин масса надземной части составляет 22% от обшей биомассы, а к 20- 42° о У сорта Норд - 20 и 40% соответственно, что свидетельствует о замедленном нарастании доли побегов у данного морфотипа, обусловленное характером его чистовой поверхности

Засушливые условия имитировали растворами сочен (Третьяков, 1990) При проращивании семян в растворах NaCl (0,4%-0,6%) наблюдается уветачение длины корневой системы с одновременным снижением роста надземной части При увеличении концентрации до 1,5% - снижение ростовой функции как подземной, так и надземной частей У листочкового сорта торможение роста происходит при большей концентрации №С1, отмечается образование боковых корней, что свидете iьствует о более высокой его устойчивости

Н Влияние янтарной кислоты и эпина на водообмен растений гороха посевного

Устойчивость растений к водному стрессу определяется стабильностью их водного баланса Большую интенсивность транспирации (на 10-15%) имел безлисточковый чорфотип, что свидететьствует о меньшей его устойчивости В то время как листочковый сорт, несмотря на лучшее развитие корневой системы, активнее регулирует водный режим, снижая интенсивность транспирации Эти различия обусловлены меньшим количеством связанной фракции воды в тканях усиков по сравнению с -щеточками (Новикова, 2002) В условиях засухи при обработке семян гороха препаратами отмечается снижение транспирации, а

также эвапотранспирации (с 50 до 20 г НгО/сут *сосуд), что приводит к повышению устойчивости к водному дефициту После прекращения действия водного дефицита эвапотранспирация обработанных растений выше контрольных (на 5-10%), что свидетельствует об активации водообменных процессов

Лучшей адаптации сорта способствует большая водоулерживаюшая способность, обусловленная более высоким содержанием осмотически активных веществ Листья сорта Орповчанин характеризуются большей водоудерживающей способностью (рис 2), с этим хорошо согласуется и более низкое значение интенсивности транспирации При действии препаратов наблюдается повышение водоудерживающей способности максимальным показателем характеризуются растения, обработанные ЯК

Влияние ФАВ на водоудержиаающую способность листьеа различных морфотипов гороха посевного в засушливых условиях (фаза 5 6 мл)

¿30

т 350

2 U 300

4 5 250

X 200

о. л •50

100

S 50

П Орповчанин Q Нора

вариант

Рис 2

В условиях Засухи у безлисточкового морфотипа сильнее снижается оводненность листьев (на 40%) по сравнению с чисточковым сортом (30%), что определяет повышенную уязвимость безлисточковых сортов к засухе При обработке препаратами растения медленнее теряют воду (на 15-20%), что вызывает нормализацию водного обмена

III Влияние препаратов на биоэлектрические потенциалы растений гороха Функциональное состояние растений можно оценить при регистрации разности электрических потенциалов (РЭП) Более высокие градиенты биопотенциалов отмечены у тисточкового морфотипа (аксиальный градиент РЭП составлял в среднем -58 мВ), что свидетечьствует о большей метаболической активности листочкового сорта (рис 3) Разность электрических потенциалов от основания побега к верхушке была более значительна у листочкового

морфотипа. Наиболее электроотрицательны верхние междоузлия с более активным обменом веществ.

Рис.3

При отведении РЭП от междоузлий относительно точки, принятой за основание побега, наблюдаются особенности действия препаратов (рис. 4).

1 Динамика биоэлектрических потенциалов 2-го междоузлия гороха сорта Орлоачамии1

' посла обработки ФАВ. Фаза 6-в нл.

Рис.4

После обработки растений янтарной кислотой в первые часы реакция растений не отмечена, через 2 часа янтарная кислота снижает РЭП, а к 3 му часу различия нивелируются

При обработке растений эпином у обоих морфотипов наблюдается негативация биоэлектрических потенциалов относительно контроля, что свидетельствует об активации обменных процессов. Действие янтарной кислотой вызывает позитивацию, что может объясняться замедлением обменных процессов в растении По литературным данным ЯК вызывает снижение функционально-метаболической активности клеток на начальном этапе ответной реакции на внешнее воздействие, изменяя структурно-функциональное состояние клеточных мембран, что отражается на РЭП Контрольные растения имели относительно стабильные показатели

При одновременном измерении СО;-газообмена на свету и РЭП в течение 13 * часов различия по СОг-газообмену между обработанными и контрольными растениями не обнаружены Можно отметить 2 х фазную реакцию сортов на препараты некоторое снижение интенсивности СО^-газообмена в течение 1-2 * часов посте обработал, а затем плавное повышение На более длительных интервалах отмечается общая тенденция уветачения интенсивности СОг-газообмена, что особенно заметно на 3"* сутки

Таким образом, в течение 1-2 * часов после обработки ЭП и ЯК у растений заметно изменяется РЭП при неизменном СО;-газообмене, что свидетельствует о большей физиочогическои шбильности тгого гоказателя и возможной сигнальнои роли в жизнедеятечьноеги растений В 1ечение 2-3 " суток различия между обработанными и контрольными растениями по этому показателю нивелируются, но отмечаются существенное изменение интенсивности СО;-газообмена Почученные данные подтверждают первичность

элекгрофизиочогической реакции у растений перед метаболической регуляцией при обработке изученными ФАВ

IV Влияние янтарной кисюты и эпина на СО-.-газообмен гороха посевного

Для оценки адаптивного потенциала на ценотическом уровне в качестве одного из основных критериев устойчивости в нашей работе рассматривается суточный баланс СОг

V листочкового сорта Орловчанин в оптимальных условиях фотосинтетическая функция увеличивается быстрее, чем дыхательная, к 10" суткам фотосинтез превалирует над дыханием - углеродный баланс положителен (рис 5), и имеет тенденцию к дальнейшему росту

У сорта Норд характер изменения углекислотного газообмена иной. К 10"м суткам углеродный баланс усатого морфотипа имеет отрицательный характер (рис. 6), развитие идет за счет распада запасных веществ семядолей.

Влияние условий водного дефицита на интенсивность газообмена лисгочкового морфотипа (Орловчанин)

.х---*---*

.х--"1

10 11 11

возраст растений, суг.

1Г~! У ^ 1в

I | I

засуха

- 5.0 4.0

- 3,0 г 2.0 ■ 1,0 -0,0

-1.0 -2.0 -3,0 -4,0 -5,0

| С-баланс --Х--ИД —□—ИФ

Рис. 5

При моделировании засушливых условий в начале вегетации уже через 1 час наблюдается эффект изменения интенсивности фотосинтеза и дыхания. У сорта Орловчанин интенсивность фотосинтеза и дыхания снижается в среднем на 25%, у безлисточкового сорта интенсивность дыхания практически не изменятся, а интенсивность фотосинтеза снижается до «0» (рис. 5,6).

Влияние условий водного дефицита на интенсивность газообмена усатого морфотипа (Норд)

5- С-баланс

0,00 V 1--Х---ИД |1 8 !—о—ИФ ■[

Рис. 6

При продолжающейся засухе у листочкового сорта в течение суток интенсивность фотосинтеза продолжает падать, а затем плавно увеличивается; интенсивность дыхания монотонно повышается. У сорта Норд интенсивность

фотосинтеза в течение 2 * суток остается на очень низком уровне, начиная медленно увеличиваться с 3" суток Дыхательная функция в течение 1"х суток падает, а затем монотонно увеличивается, что связано с ростом корневой системы При действии засухи проявляется эффект снижения итогового баланса СОг, который затем стабилизируется, проявляется тенденция к восстановлению

Особое значение в реакции растений на стрессоры имеет изменения баланса СОг в период репарации При нормализации влажности почвы у обоих сортов проявляется эффект восстановления фотосинтетической и дыхательной функции У сорта Норд отмечается более глубокое действие засухи (рис 6)

При изучении особенностей засухи (10 дней) в фазу бутонизации были получены аналогичные данные Однако, действие засухи проявилось в меньшем снижении интенсивности фотосинтеза в первые сутки (на 10%), что свидетельствует о более слабом действии водного дефицита в вегетационном опыте, по сравнению с лабораторным при быстрой смене питательного раствора на осмотшс

В оптимальных условиях влияние ФАВ на углеродный баланс растений менее выражено Препараты способствуют незначительному повышению интенсивности фотосинтеза, одновременно происходит увеличение дыхательных трат на 10-15% по сравнению с контролем, что свидетельствует об ускорении роста под действием препаратов, эти эффекты плавно снижаются к 811 4 суткам

В юсушливых условиях у обработанных растений интенсивность фотосинтеза падает быстрее, чем в контроле, одновременно начинает увеличиваться доля дыхательных трат В условиях засухи влияние препаратов более выражено, эффект от их действия продолжается и спустя 2 е суток посте прекращения водного дефицита Максимальное отклонение от контрольного варианта наблюдается при обработке эпином На листочковую форму препараты оказывают большее влияние, чем на безлисточковый морфотип

В течение вегетации интенсивность фотосинтеза у растений сорта Орловчанин медленно увеличивается, а затем плавно снижается (табл 3) Интенсивность фотосинтеза гороха сорта Норд резко увеличивается, а затем быстро снижается, что характеризует безлисточковый морфотип как менее устойчивый По данным 3 Ф Рахманкуловой (2001), преобладающее значение неспецифических изменений при действии стрессоров проявляется при анализе данных по соотношению интенсивности фотосинтеза и дыхания Максимальное отношение интенсивности фотосинтеза (ИФ) к интенсивности дыхания (ИД) наблюдается в период цветения (в среднем 2-3) На начальных этапах безлисточковый сорт имел большее отношение ИФ к ИД (1,8) по сравнению с

листочковым (1,4); после фазы бутонизации большее соотношение имел листочковый морфотип (2,9).

Таблица 3

Влияние ФАВ на интенсивность С02-газообмена гороха посевного различных

Сорт Фенофазы

7-9 лист) ветвление! бутонизация! цветение! молочная спелость

Необработанные растения в оптимальных условиях (К)

Интенсивность фотосинтеза '

Орловчанин 83,7 97,5 105,8 155,4 103,7

Норд 50,4 114,0 141,6 160,2 81,2

Интенсивность дыхания

Орловчанин 140 Л 126,0 80,0 62,6 84,8

Норд 41,2 63,9 142,7 130,0 94,7

Необработанные растения в условиях водного дефицита (Кз)

Интенсивность фотосинтеза

Орловчанин 86,8 118,0 126.2 185,8 112,0

Норд 65,4 117,2 122,2 140,1 20,9

Интенсивность дыхания

Орловчанин 97,1 91,1 68,4 63,4 103,7

Норд 39,6 68,6 109.2 105,7 101,4

При обработке янтарной кислотой (ЯК]

Интенсивность фотосинтеза

Орловчанин 134,7 126,2 139,7 241,6 125,5

Норд 22,2 99,9 125,8 170,4 24,0

Интенсивность дыхания

Орловчанин 100,3 84,9 112,9 76,6 108,8

Норд 65.6 73,2 78,2 75,6 44,6

При обработке Эпином (ЭП)

Интенсивность фотосинтеза

Орловчанин 99,1 102,6 156,3 260,6 118,2

Норд 37,0 89,8 104,4 148,1 31,2

Интенсивность дыхания

Орловчанин 160,0 136,7 129,0 93,0 118,9

Норд 62,4 77,7 99,7 85,0 54,5

При обработке янтарной кислотой и Эпином (ЯК+ЭГГ]

Интенсивность фотосинтеза

Орловчанин 95,0 93,2 128,3 162,4 71,4

Норд 61,3 73,7 87,3 | 115,4 18,9

Интенсивность дыхания

Орловчанин 112,2 94,5 81,3 69,8 68,3

Норд 72,8 69,1 65,1 70,1 72,5

Максимальное соотношение ИФ к ИД наблюдалось у растений, обработанных ЯК (3,1), что опосредует более стабильный уровень физиологических процессов

При оценке адаптивного потенциала растений по балансу СО-безлисточковый морфотип менее устойчив к засухе, что может объясняться меньшим оттоком элементов питания из вегетативных органов в связи с отсутствием листочков - временных депо ассимилятов, которые используются в неблагоприятных >стовиях (Новикова, 2002).

V Влияние янтарной кислоты и эпина на продуктивность растений гороха посевного

На основании системных исследований продукционного процесса у гороха установлено влияние измененных морфологических признаков листа и прилистника на рост, водный обмен, адаптивные свойства растений

Таблица 4

Влияние ФАВ на семенн\ ю продуктивность гороха посевного различных ___морфотипов

Вариаш- Чисто Час ю Число Масса 1000 Масса семян.

продуктивных бобов/ раст семян в семян, г г/растение

УПОИ шт шт ооое шт

ОР ЛОВЧАНИН ("ШСТОЧКОВЫЙ МО рфотип)

ЯК 49 66 52 250 86

ЭП 45 АЗ 52 251 82

якоп 47 65 5 0 248 8 1

Кз 43 6 1 49 252 74

К 5 1 68 53 252 9 1

НОРД (безлисточковый морфотип)

ЯК 4 1 Ь0 3 9 247 5 8

ЭП 40 59 37 249 54

ЯК+ЭП 4 1 5.7 3,8 249 54

Кз 3,8 54 3,5 250 4.7

К 4.4 6 1 4,0 251 61

НСР о« 1 ! 03

Максимальной продуктивностью характеризовался горох листочкового морфотипа (при отсутствии полегания) (табл 4) Большей продуктивностью отличались растения, не подвергшиеся действию засухи (К) у обоих сортов Условия водного дефицита привели к снижению урожайности на 20% у листочкового морфотипа и на 30% у безлисточкового. Обработанные растения имети более высокую урожайность в среднем на 10-15%, у обоих морфотипов максимальной продуктивностью отличались растения при обработке ЯК Стимулирующее действие эпина и ЯК на формирование урожая в стрессовых

условиях выращивания свидетельствует об адаптогенных свойствах этих препаратов.

При изучении 4"* морфотипов максимальной продуктивностью характеризовался морфотип хамелеон сорта Альтаир (масса семян 11 г/раст.), а минимальной - безлисточковый сорт Филби (3,3 г/раст.). Действие препаратов на морфотип хамелеон не обнаружено.

ВЫВОДЫ

1. Установлена оптимальная концентрация эпина для обработки семян гороха посевного (10"13 М). Наибольший эффект получен при предпосевной обработке семян и вегетирующих растений в фазе бутонизации.

2. Большая устойчивость к корневой засухе и продуктивность отмечена у листочкового сорта Орловчанин (при отсутствии полегания) по сравнению с безлисточковым морфотипом сорта Норд.

3. Морфотипы существенно отличались по составляющим С02-газообмена. Фотосинтетическая функция растений листочкового сорта увеличивалась быстрее; к 10"м суткам СОг баланс растений сорта Орловчанин стал положительным. У сорта Норд к этому времени дыхание еще превалирует над фотосинтезом, и баланс СО2 отрицателен. В течение вегетации у листочкового морфотипа плавно увеличивается интенсивность фотосинтеза, а к концу вегетации снижается. У сорта Норд интенсивность фотосинтеза резко возрастает, а затем быстро снижается, что связано с отсутствием листочков-демпферов.

4. Для гороха безлисточкового морфотипа целесообразно проводить обработку семян эпином для ускорения роста надземной части в начальный период вегетации, а также янтарной кислотой для лучшего развития корневой системы; для гороха листочкового сорта - обработку янтарной кислотой. Обработка семян и особенно вегетирующих растений эпином нежелательна, т.к. приводит к увеличению высоты растений и полеганию посевов.

5. В условиях нормального увлажнения при действии эпина и янтарной кислоты наблюдается тенденция к увеличению интенсивности фотосинтеза и дыхания, однако эти изменения менее заметны, чем при стрессе. В условиях корневой засухи ЯК и эпин на 10-15% повышают интенсивность фотосинтеза и дыхания.

6. Повышенный уровень метаболической активности листочкового сорта проявился в более высоких значениях градиентов биоэлектрических потенциалов. При обработке растений эпином наблюдается негативация биоэлектрических потенциалов относительно контроля, отражающая активацию

метаболизма При обработке ЯК выявлена позитивация, что свидетельствует о торможении обменных процессов в растении

7. Впервые на культуре гороха проведены одновременные измерения разности биоэлектрических потенциалов и интенсивности СОг-газообмена В течение 1-2" часов после обработки препаратами у растений заметно изменяется разность электрических потенциалов при неизменном СОг-газоообмене Лишь на 2 е сутки отмечается существенное изменение интенсивности ССЬ-газообмена Полученные данные подтверждают первичность электрофизиологической сигнализации у растений перед метаболической при обработке эпином и янтарной кислотой

8 Усовершенствованная методика измерения С02-газообмена микроценоза позволила выявить динамическую картину газообмена и повысить достоверность результатов, по сравнению с измерениями, проводимыми на чистовых высечках и отдельных листьях Для оценки устойчивости к корневой засухе представляется возможным использовать данные по углеродному балансу на ранних фазах развития гороха по применяемой в экспериментах методике

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Клочкова Н М , Авдокачев А В Янтарная кис юта - перспективный регулятор роста растений И сборник студенческих работ по итогам 52-й студенческой научной конференции, выпуск 5, VI МСХА, 1999- с 53-58

2 Клочкова Н М , Авдокачев А В Влияние производных янтарной кислоты на рост и развитие яровой пшеницы // научно-практический журнал «Агро XXI», 1999->3-с 20-21

3 Клочкова Н М Засуха и янтарная кислота И научно-практический журнал «Агро XXI», 2000 - №8 -eil

4 Клочкова Н М Действие янтарной кислоты в засушливых условиях // сборник студенческих работ по итогам 53-й студенческой научной конференции, выпуск 6, М , МСХА - 2000 - с 36-39

5 Клочкова Н М , Третьяков Н Н Влияние различных ФАВ на некоторые физиолого-биохимические процессы и продуктивность // тезисы к VI международной конференции «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях», М, МСХА - 26-28 июня 2001 г - с 20-21

6 Клочкова Н М, Третьяков Н Н, Аканов Э Н Влияние янтарной кислоты и эпина на газообмен гороха посевного (Pisum sativum L) в условиях водного дефицита // International Symposium 1 Plant under environmental stress", Moscow, К A Timiryazev Institute of Plant Physiology, October 23-28 2001, p 129

7. Третьяков H.H., Аканов Э.Н., Яковлев А.Ф., Синявин М.С., Клочкова Н.М., Кутузов В.В. Исследование ответных реакций растений яровой пшеницы на стресс // International Symposium "Plant under environmental stress", Moscow, K.A.Timiryazev Institute of Plant Physiology, October 23-28 2001, p. 301

8. Клочкова H.M. Газообмен различных генотипов гороха посевного в условиях засухи // Труды научной конференции молодых ученых и специалистов МСХА 4-6 июня 2002 г., М., 2002 (Рукопись депонирована во ВНИИТЭИагроггром № 18840)

9. Клочкова Н.М., Третьяков H.H., Аканов Э.Н. Действие янтарной кислоты и эпина на СОг-газообмен листочкового и усатого морфотипов гороха посевного (Pisum sativum L.) в условиях ранней корневой засухи // Сельскохозяйственная биология, № 1,2004, с. 67-72

10. Третьяков H.H., Аканов Э.Н., Кондратьев Н.В., Клочкова Н.М. СОг-газообмен яровой пшеницы при изменении осмотического давления в корневой зоне (имитация почвенной засухи) //Известия ТСХА, вып. 1,2004, с. 48-54

11. Клочкова Н.М., Третьяков H.H., Аканов Э.Н. Влияние янтарной кислоты и эпина на газообмен различных морфотипов гороха посевного (Pisum sativum L.) в условиях корневой засухи // V-й съезд физиологов растений, Пенза, 2003, с. 286-287

Усл. печ. л. 1,16

Зак. 223

AHO «Издательство МСХА» 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44

Thp. 100 экз.