Водно-солевой обмен растений при солевом стрессе

Захарин, Александр Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Водно-солевой обмен растений при солевом стрессе
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Водно-солевой обмен растений при солевом стрессе"

га од

московская ордена ленина ШЙ'Ърдена трудового красного знамени сельскохозяйственная академия имени к. а. тимирязева

На правах рукописи ЗАХАРИН Александр Андреевич

удк 581.037.14

ВОДНО-СОЛЕВОЙ ОБМЕН РАСТЕНИЙ ПРИ СОЛЕВОМ СТРЕССЕ

03.00.12 — физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук в форме научного доклада

москва 1994

Работа выполнена в лаборатории биофизики растен Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тим рязева и в лаборатории солевого обмена и солеустойчивое Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН.

Официальные оппоненты: доктор биологических нау профессор В. В. Кузнецов; доктор биологических наук, пр фессор В. В. Мазин; доктор биологических наук, професа Г. В. Удовенко.

Ведущее предприятие — Институт почвоведения и фот< синтеза РАН.

Защита состоится 26 апреля 1994 г. в 14.00 часов на з; седании специализированного совета Д 120.35.07 в Моско) ской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязев;

Адрес: 127550, Москва И-550, ул. Тимирязевская, 49. Се! тор защиты диссертаций ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ПНБ ТСХА.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат биологических наук, доцент

1. общая характеристика работы.

1.1. Актуальность проблемы солеустойчивости растений связана необходимостью сельскохозяйственного использования засоленных

очв, доля которых достигает 25% от мировых сельскохозяйственных • годий и имеет тенденцию к увеличению. Расшифровка механизмов со-еустойчивости растений представляет большую научную проблему, ре-ение которой необходимо для получения солеустойчивых генотипов ультурных растений традиционными методами селекции или при испо-ьзовании новейших достижений молекулярной и клеточной биологии, а акже при разработке новых биотехнологий.

Одним из перспективных направлений таких исследований являет* изучение водного режима и процессов солевого обмена растений в зловиях солевого стресса. Организация и регуляция водно-солевого 5мена является одним из ключевых.но недостаточно изученных звень-з, определяющих способность растений произрастать и давать потом-гво в условиях почвенного засоления. Детальное изучение процессов эдно-солевого обмена растений в этих экстремальных условиях поз-эляет оценить вид и масштаб повреждений, причиняемых растению со-гт в высокой концентрации, а также найти те реально существующие ?рвичные механизмы солерезистентности, которые являются слагаемы* общей солеустойчивости растительного организма.

1.2. Цель и задачи исследований. Цель работы - системное мно-эстороннее исследование водно-солевого обмена растений на разных эовнях организации (от клеток до целостного организма). Такой здход позволяет реконструировать последовательность основных со-лтий при солевом стрессе в целом растении. В этой связи основное 1имание было направлено на решение следующих задач:.

- разработать методы исследований водно-солевого обмена на юных уровнях организации растений;

- исследовать процессы транспорта и распределения засоляющих знов Иа+ и СГ в растении, обратив при этом особое внимание на эанспортные барьеры и на кинетические параметры процессов;

- оценить первичные повреждения растений, а также измене-га, вносимые в систему среда-растение солевым стрессом, с обязанным учетом их временных характеристик;

- исследовать некоторые электрофизиологические параметры рас-

-г- :

тений при солевом стрессе, в частности, электропроводность тканеГ и разности электрических потенциалов (РЭП) между различными органами и структурами;

- оценить роль осмотических явлений как повреждающего фактора и как механизма сопряжения транспорта воды и ионов солей;

- осуществить апробацию некоторых экспресс-методов тестирования солеустойчивости, делая при атом основной акцент не на методических, а на методологических аспектах проблемы.

Сформулируем основные положения работы, вшос-имые на защиту:

1/ Процессы водно-солевого обмена непосредственно и в первую очередь воспринимают воздействие солевого стресса и в значительной мере обусловливают возможности выживания растений в этих экстремальных условиях. •

2/ Большинство культурных растений не являются галофитами и не обладают выраженной солеустойчивотью. Однако структурная и функциональная организация всех частей и уровней растения включает в себя быстродействующие гомеостатирующие, авторегуляторкые, компенсаторные системы, сумма которых обусловливает резистентность (сопротивление) организма повреждающему действию солевого стресса^

3/ Солеустойчивость гликофитов с наибольшей вероятностью может проявиться на общеорганизменном уровне. Это отвечает подходу к раЬтенио как к целостной системе, для которой характерен синерги-ческий принцип взаимодействия частей (Гунар, Паничкин, 1970). На! уровне целого растения осуществляется координация и взаимодействие! первичных механизмов солерезистентности, а также последующих,более, медленных процессов репарации и адаптации, вследствие чего возмож-' ности солеустойчивости целого организма могут значительно превышать сумму возможностей его частей. < '

1.3. Научная новизна работы состоит в том,что в ней расшифрована роль пассивных процессов в ионном транспорте растений при солевом стрессе, показано, что они обусловлены нарушением барьерной функции клеточных мембран и увеличением пассивной проницаемости растительной ткани для воды и ионов; ;

- показан обратимый выход воды из корня, который имеет место даке при слабом солевом стрессе, и исследована его кинетика;

- впервые зарегистрированы при помощи малоинерционных высокочувствительных методов мгновенная остановка или замедление скорости роста корня и значительно более поздняя реакция надземных, орга-

нов на солевой стресс; показано, что начальная фаза ростовой реакции часто сопровождается осмотическим укорочением органов;

- сформулирована и экспериментально обоснована концепция о шунтирующем эффекте при солевом стрессе,который обусловливает сни-' кение разностей электрических потенциалов между различными органами и участками растений;

- обнаружены и исследованы эффекты ионной коррекции и декремента (задержки) натрия при ксилемном транспорте в условиях солевого стресса;

- изучены и проанализированы специфические особенности осмотических явлений в растительных клетках и тканях;

- показана принципиальная возможность повышения солеустойчи-вости растений физиологическими методами, при помощи направленного воздействия на элементы водно-солевого обмена объектов;

- обосновывается концепция о многофакторном действии солевого :тресса и множественности механизмов солеустойчивости растений.

Для исследования процессов водно-солевого обмена разработаны ювые, часто не имеющие аналогов, методические подходы, получены эанее неизвестные феноменологические данные, которым даны ориги-гальные теоретические объяснения.

1.4. Практическая значимость работы. Работа представляет со-5ой, главным образом, теоретическое исследование, направленное на юнимание природы солереэистентности и солеустойчивости растений три солевом стрессе. Эта научная задача имеет в то же время боль-гае практическое значение. Летально изучены многие ион-транспортные 1роцессы, происходящие при солевом стрессе в клетках, тканях и ор-'анах растений, а также различные стороны водообмена и осмотичес-сие явления. Выявлен ряд быстродействующих механизмов резистентно-:ти, которые замедляют и ослабляют повреждающее действие стресса.

Установленные закономерности могут быть использованы при сонструировании солеустойчивых растений методами генной инжене-)ии, клеточной и молекулярной биологии,в селекционной и исследовательской работе. Полученные результаты указывают на возможность ювышения солеустойчивости растений физиологическими методами. Не-:омненное практическое значение имеют экспресс-методы тестирования неустойчивости... Самостоятельный интерес представляют около 20 »писанных в работе оригинальных методов, которые могут быть исполь-юваны как для исследовательских целей, так и для экспресс-тестиро-)ания солеустойчивости. Так, метод измере.мя температурной зависи-

мости электрических потенциалов корня_ использовали в совместнь исследованиях с лабораторией гидрофобизации семян ТСХА. Метод пс лучения водных экстрактов растений для аналитических целей приме няли в Институте физиологии растений РАН.

1.5. Апробация работы. Материалы исследований докладывались: на Всесоюзных совещаниях по солеустойчивости растений (Тал кент,1969,1973,1986, Алма-Ата,1974), на Всесоюзных симпозиумах п ионному транспорту (Иркутск,1971, Черкассы,1977, Чернигов,1988) на биофизических конференциях (Кишинев,1977, Харьков,1988), н ежегодной школе МГУ, по биологическим мембранам (Звениго род,1979,1989), на десяти Сабининских семинарах (Москва,1981-1991 на ХП Международном ботаническом конгрессе (Ленинград,1975), на съезде ВОФР (Минск,1990), на Ш съезде ВОФР (С.-Петербург,1993), н заседании МО ВОФР в Институте физиологии растений (Москва,1991) Была прочитана лекция на кафедре физиологии ТСХА для ФПК (1991) сделано 3 доклада на объединенных заседаниях нескольких лаборато рий в ИФР РАН.

1.6. Публикация результатов исследований. Основные результат; диссертации опубликованы в 44 печатных работах. Еще 2 работы нахо дятся в печати. Получены 3 авторских свидетельства, по четверто заявке имеется положительное решение.

содержанке работы.

2. объекты и методы исследований.

Основная часть данных получена на 7 видах культурных растени: из 4 семейств: подсолнечник (Helianthus anriuus L. ,сорт Передовик) ячмень (Hordeum vulgare L..сорт Винер), томат (Licoperslcon escu lentum М111., сорта Эрлиана, Бизон), кукуруза (Zea mays L., гиб рид Днепровский 460), фасоль' (Phaseolus vulgaris LJ, 'сорт Сакса без волокна), горох (Pisum sativum L., сорта Неистощимый, Ульяновский) , бобы (Vicla faba L., сорт Русские черные). Все растения -гликофиты,расположенные в порядке убывания солеустойчивости. В некоторых случаях основной список объектов расширяли. В качестве мо; дельных объектов применяли ткань клубня картофеля (Solanum tuberosum L.) и одноклеточные микроводоросли хлореллу (Chlorella руге-noidosa Pringsh. 82Т) и дуналиеллу (Dunaliella sallna Teod.N 10) Последний объект - эвригалинная водоросль, способная произрастав как в пресной среде, так и в насыщенных растворах NaCl.

• - Б -

Растения выращивали на питательном растворе Кнопа в факторос-гатных условиях при температуре 20-22° С, относительной влажности воздуха 50-70% и люминесцентном 12-часовом освещении. В большинстве случаев применяли бессубстратную гидропонику с барботированием эастворов воздухом.Солевой стресс моделировали добавлением в среду JaCl, обычно в нескольких концентрационных градациях. Возраст растений варьировал от 3-10-дневных проростков до взрослых растений. 1ля экспресс-тестирования солеустойчивости выращивали 3-5-дневные форостки разных сортов огурца -(Cucumis sativus L.) и гибридов кукурузы. В некоторых случаях в качестве объекта тестирования ис-юльзовали набухающие семена [27,29,32,33,35,36,42].

Большинство используемых методов были оригинальны и разрабо-■аны специально для конкретных исследований [3,5,8,12,13,16,18-23, :6,27,29,31,32,36,39-46]. Краткое описание каждого метода будет делано непосредственно перед изложением соответствующих результа-ов. В экспериментах часто исследовали кинетику процессов, в том исле быструю кинетику, с записью результатов на самописце. Приме-яли полифункциональные многопредельные самописцы Н37 в комплекте усилителем ИЗГ7, имеющие 10-кратную компенсацию шкалы в двух нап-авлениях. Использовали также самопишущие милливольтметры КСП-4, Z-21S (ЧССР) и графопостроитель Н-307. При злектрофизиологических змерениях в комплекте с самописцами применяли высокоомные усили-ели постоянного тока У1-2, В7-30, ППМ-0,ЗМ1.

Катионы К+, Na+, Са2+, Rb+ определяли на пламенном фотометре hlaphokol (ГДР) или "Модель Ш" (Karl Zeiss, Jena),а также на оте-эственном иономере И-130. Анионы Cl", NO3", à также.pH определяли этенциометрически с селективными электродами, фосфат - в виде Мо-эмплекса на спектрофотометре. . Для определения ионного состава астительных объектов применяли вначале сухое озоление, однако в шьнейшем этот метод заменили термической экстракцией объекта ютиллировашюй водой - методом, разработанным и апробированным в эде самой работы-[233. В экспериментах широко использовали морфо-гтрические и физиологические характеристики: сырая и сухая био-icca, число и размеры органов, водопотребление, содержание ионов другие. Электропроводность растворов и интактных объектов измени на переменном или постоянном (пульсирующем) токах, биоэлек-жческую активность регистрировали экстраклеточно. Проводили статическую обработку результатов, в том числе и по кинетическим шисям. Минимальное число повторностей в экспериментах - 4-5.

3. водно-солевой обмен как часть лроблеш солехстойчивости растении.

Солевой стресс представляет собой сильное,многостороннее воздействие на растение (Строгонов, 1962,1973; Строгонов и др., 1970; Удовенко,1977; Waisel,1972; Greenway,1973; Bernstein,1975; Flowers et al.,1977). Первичной и основной мишенью этого воздействия являются процессы водного и солевого обменов растения, а также некоторые сопутствующие им электрофизиологические явления, рост растяжением и другие (Гунар,Паничкин,1970; Клышев и др.,1976; Юрин и др., 1986; Greenway et al.,1976; 6in2burg et al.,1985). Солеустойчи-вость, то есть выживание растений при солевом стрессе, непосредственно зависит от особенностей их водно-солевого обмена [11,17,19, 281. В то же время,засоление среды резко изменяет многие структурные и функциональные параметры растений. Показаны изменения в дыхании, фотосинтеае, росте, развитии,водном обмене,. многих биохими-..ческих процессах, а также структурные изменения на разных уровнях организации (Жолкевич, 1968; Строгонов и др., 1970; Удовенко,1977; Wilson, 1970; Hasson-Porath et al., 1971; Hall et al., 1973; Pola-koff-Mayber et al., 1982; Burchett et al..1984; Peter et al.,1986) Однако в большинстве случаев регистрируемые изменения есть лишь сильно опосредованные и сравнительно медленно развивающиеся следствия солевого стресса, затрагивающие изменения в основном метаболизме: -обмен азота,фосфора,серы, кальция (Шевякова,1979; Жуковская, 1983; Азимов,1989; Клышев,1989). В настоящее время исследования водно-солевого обмена, на наш взгляд, ведутся в недостаточном объеме, составляя менее 52 всех работ по солеустойчивости [171. , -Теоретический характер наших исследований,а также широта проблемы, 'вынуждали исходно ограничить задачу некоторыми наиболее общими 'случаями. Во-первых, рассматривалось исключительно хлоридное засоление, то есть солевой стресс,обусловленный действием NaCl,во-вторых,- только внезапный стресс (за исключением ¡техники импульсного засоления). Обе эти модели широко используются в исследова-«йийх Такого рода. В третьих,круг объектов ограничен почти исюночи-• тельно гликофитами,то есть растениями, генетически не адаптированными к солевому стрессу. Согласно определению, гликофиты не устойчивы к солевому стрессу, не имеют механизмов солеустойчивости нг молекулярном и субклеточном уровнях, или каких-либо специальны) приспособлений к засолению (типа солевых желез). С позиций солеустойчивости целого организма интерес представляют не столько процес ■сы ионного транспорта, сколько транспортные барьеры, точно также,

как резко выраженные процессы обезвоживания при солевом стрессе могут оказаться более важными,чем существующие в норме механизмы водообмена. Понимание этого служило одним из стимулов к разработке оригинальных методов исследований.

Сказанное не означает, что на всех уровнях, от клеточного до организменного, гликофиты не могут иметь никаких механизмов резистентности (сопротивления) солевому стрессу. Поиск таких первичных механизмов солерезистентности составляет одну из задач настоящей работы. Главным предметом исследований служили быстрые первичные изменения а системе среда-растение, непосредственно индуцируемые солевым стрессом. Водно-солевой обмен правомерно рассматривать как систему сопряженных процессов, / осуществляющихся на разных уровнях организации. Так,известно сопряжение транспортных процессов в корне и надземных органах, а также в различных структурных единицах растения, вплоть до субклеточных (Кларксон, 1978; Blsson, 1975). Сопряжение водных й ионных потоков может осуществляться через осмос, а также через электрохимические, электрофизиологические и некоторые другие процессы (Гунар. Паничкин, 1969; Юрин и др.,1973; „unevsky et al., 1983; Termaat et al., 1086). Многие из этих про-дессов тесно связаны с теми изменениями в среде, в клетках и тка-1ях разных органов растений, юэторые вносит солевой стресс.

4. особенности солевого обмена растений при солевом стрессе.

4.1. Исследования на клеточном уровне.'

Имеется сравнительно небольшое число работ, посвященных субклеточной локализации ионов при засолении (Строгонов,Лапина, 1979; /aisel, 1972; Kirst,1977; Yeo et al.,1977; Lauchll et al., 1979;). 'ем не менее", совершенно необходимо изучить распределение ионов :отя бы по трем важнейшим компартментам клетки: цитоплазма, ваку-1ль и клеточная оболочка. Поскольку при солевом стрессе проблема гонного транспорта редуцируется до вопроса о транспортных барьерах, :еобходимо было одновременно контролировать состояние клеточных ;ембран (Zwara et al., 1968; Lunevsky et al., 1983).

Для решения этих вопросов было специально разработано нес-олько оригинальных методов, объединенных одним общим принципом 8,16,233. Принцип состоит в том, что производится непрерывная ав-оматическая регистрация выхода электролитов из объекта, в то же ремя на объект накладывается - градуально и строго в заданном ре-име - какое-либо повреждающее воздействие. В качестве такого пов-

• - 8 -рекдающего воздействия использовали возрастание температуры до 100°С, пропускание постоянного электрического тока напряжением до 600 вольт или возрастание концентрации некоторых химических агентов (например, этанол в концентрации до 5 М).

Все методы: термоионографический ¿воздействие температурой), электрохемокинетический (наложение электрического поля) и градуальная фиксация этанолом - позволили получить хорошо согласующиеся результаты. Перед началом воздействия по кинетике отмывки можно было способом, близким к описанному (Вахмистров и др.,1965), выделить фракцию, характеризующую ионный состав клеточных оболочек. В дальнейшем.при1градуальном наложении воздействия достигался момент когда записывался большой неселективный выход ионов из объекта (ха рактеризующий, в'основном, вакуоль). Последующее увеличение напряженности повреждающего фактора вызывало новую волну выделения, меньшую по амплитуде и растянутую во времени (ионы цитоплазмы).

На рис. 1 показаны типичные термоионограммы, полученные на модельном объекте - пресноводной микроводоросли Chlorella [233. При температуре 62-65° происходило термическое разрушение мембран клеток контрольных растений и выход электролитов, что регистрировалось в виде большого пика электропроводности вытекающего раствора. Если объект был предварительно подвергнут воздействию солевого стресса, то пик выхода ионов снижался в степени, пропорциональной силе воздействий. При сильном солевом стрессе, мембраны не повреждались термически,поскольку они уже были повреждены солями раньше; пик в этом случае полностью отсутствовал. Такая физиологическая трактовка данных подтверждается простейшим термодинамическим показателем - Qio: значения Ою, достигающие 5-8 в момент пика,означают термическую ломку мембран, тем более сильную, чем выше соответствующий коэффициент. На рис. 2 показано распределение катионов К+ и Na+ в системе клетка-среда. До концентрации 0,4% NaCl в среде происходило накопление натрия в клетках, при более высоких концентрациях процесс менялся на обратный. Выше этой концентрации калий начинал выходить из клеток, что подтверждает повреждение мембран.

На рис. 3 приводятся•данные, полученные электрохемокинетичес-ким методом на корнях гороха, рассчитанные как доля каждого катиона, выраженная в процентах к их суше [8-10,161. Видно, что у контг рольных растений .уже в апопласте соотношение ионов иное, чем в среде, а для симпласта и вакуолей эти отличия значительно больше, что демонстрирует селективность и гомеостатичные возможности объекта, его независимость от ионного состава среди. Однако при соле-

вом стрессе селективность ионного транспорта снижена, а ионный го-меостаз клеток значительно нарушен, вследствие переполнения внутренних компартментов клеток солями. Различия - в ионном составе цитоплазмы и вакуоли кажутся в этом случае не очень значительными.

Близость минерального состава цитоплазмы и вакуоли может спо-' собствовать ионному гомеостазу собственно цитоплазмы (Леэске, 1979). По-видимому, закономерно, что "внутренняя среда" клетки -вакуоль является довольно стабильной по ионному составу, в сравнении с внешней средой - апопластом. Это тем более существенно, что этношение объемов вакуолей и апопласта в ткани составляет порядка 30:1 или 40:1. В таких условиях поддержание ионного гомеостаза :амой цитоплазмы облегчается, .что можно рассматривать как един из механизмов солерезистентности клеток. Однако возможности этого ме-<анизма у гликофитов весьма ограничены. Происходят и структурные изменения в клетках, отраженные на рис. 3. Расчеты показывают, что эбъем апопласта может возрастать при слабом солевом стрессе в 1,52,5 раза, а при сильном - в 4-7 раз (Табл. 1). Из. этого следует, ло объем апопласта - осмотически зависимая величина.

Таблица 1.

)бъем апопласта в тканях корней гороха (X от объема ткани).[9]

I-:--:—--1-:-1-1

| Определено по: | Контроль 1 0,5% Май 1,5% ИаС1

1 На+ | 2,12*0,18 3,93*0,31 10,02±1,22

1 К+ | 2,56*0,29 2,90*0,31 13,44+1,56

1 Р04э~ 1 0,73+0,09 1,53*0,15 12.54*1,12

|сумме всех ионов | 1,58+0,11 1,69*0,16 9;16+1,08

| Средняя величина | 1,72 . 2,51 11,29

1__1__I_:_1-1

Обобщая экспериментальные данные этого раздела, можно заклю-гать, что солевой стресс повреждает клеточные мембраны, снижая или годностью подавляя их "барьерную и избирательную функции, после че~ 'О' клетки переполняются ,.засоляющими ионами. Можно предположить, [то при этом серьезно нарушены процессы минерального питания, пов-¡еждены или не эффективны многие активные ион-транспортные меха-1измы (ЬаисШ, 1972; БсЫе1ГГ et а1., 1976). Значительные переме-*ения больших количеств ионов происходят пассивно, подчиняясь фи-шко-химическим законам.-

- io -

4.2. Тканевой уровень.

Повреждение клеточных мембран и увеличение объема апопласт. обусловливает"значительные изменения в солевом обмене растительны; тканей (Удовенко, 1970; Клышев и др., 1974,1976; Joly, 1989). Пассивная проницаемость тканей для воды и ионов должна сильно возрастать при солевом стрессе, что и было проверено в прямых модельны; экспериментах [3,35). Объектом служила пластина из ткани клубн: картофеля, толщиной 0,5-1 мм, герметично разделявшая 2 объема жидкости. Первый объем был предельно мал, но непрерывно обновлялся s< счет протока раствора (с постоянной .скоростью), электропроводное?] которого автоматически регистрировали по модифицированному метод; Гунара и Паничкина (1969). Второй объем составлял около 30 мл. бы. непроточным, но позволял производить замену раствора без травмирования объекта и перерыва в записи. Если с одной стороны пластин; омывалась протоком дистиллированной воды, а с другой стороны помещали раствор соли, на самописце записывали кинетику диффузии ионо) через ткань (Рис. 4), скорость которой была мала при низкой конце] трации соли, но обратимо возрастала при добавлении в раствор осмо-тика или другой соли. •

Так, скорость диффузии калия через ткань при добавлении 0,2 1 NaCl возрастала больше, чем вдвое, что может.быть объяснено увеличением апопластной проницаемости ткани. Аналогично увеличивалаа проницаемость растительной ткани для.натрия при добавлении KCl wu сахарозы в плаэмолитических концентрациях. Кинетика этих процессо] отличалась длительным лаг-периодом с последующим значительным увеличением концентрации ионов СЗ). Такая же кинетика наблюдалась npi действии одной соли высокой концентрации, например, Maßl 0,5 М.

4.3. Уровни органов и целого организма. В системе ксилемного транспорта удалось обнаружить мощный механизм коррекции ионного состава ксилемного раствора, обеспечивающий при солевом стрессе эффект декремента (непрохождения,задержки; Na+ в осевых органах [21,22,243. В модельных экспериментах использовали технику перфузии сосудов ксилемы в коротких и в очень 'длинных фрагментах стеблей, а также в интактных корневых системах растений (Jacoby,1964,1965; Lopushlnsky, 1964; Lauchli et al.. 1979) Перфузия растворов NaCl обладала своеобразной кинетикой, характеризующейся лаг-периодом в 20-40 минут и затем- большим, » очень постепенным (на протяжении 1-3 часов) , возрастанием концент-

рации Na+ на выходе. Устанавливающийся после этого стационарный уровень концентрации натрия в перфузате был существенно ниже, чем в используемом для перфузии растворе, что и трактуется как декремент натрий'[22,25,281. При перфузии длинных стеблей взрослых растений подсолнечника получены следующие результаты (Таблица 2).

Таблица 2.

<онцентрации катионов в перфузате (мэкв/л) через 5 часов после наша перфузии растворов NaCl через стебли подсолнечника. [22]

1 i Катионы 1 ................. - ---------------- - ■ ■ — ■ I Концентрация натрия в исходном перфузате, 1 1 мзкв/л | 1

1 1 1 0 ' | 5 . 1 |' 1 1 1 | 50 | 1'50 | ) 1 1 1 500 | 1

Na+ К+ Са2+ 1 ! |0,17±0,02 |0,29±0,02 (3,15±0,20 |2,30±0,17 |4,05*0,57 |3,10±0,32 1 i 1 1 . 1 I 6,73+1.25 159,27+6,36 | | 6.48±0,80 | 6,87±0,67 | |14,42±0,93 |24.20±0,86 | 1 1 1 1 105,62+6,41) 1з,45±о;ез| 30,21±2,18)

В опытах исследовали каждый ярус взрослых растений подсолнеч-ика (или томата).причем коррекция ионного состава раствора и дек-1емент натрия оказались прямой функцией длины перфузируемых сосу-ов. то есть протяженности или длительности ксилемного транспорта, о возможности, все условия в модельных экспериментах были прибли-ены к нативным. Специальные опыты, проведенные на разных объектах, оказали, что декремент натрия способен осуществляться, по крайней ере, в течение 10-15 дней, причем эффективность его за это время ередко даже усиливалась [24,28,38]. Как показано в таблице 2, эф-ект декремента'натрия сопровождался значительным обогащением пер-узата другими ионами, что способствовало физиологическому уравно-ешиванию подаваемого к верхушке раствора (Табл. 2).

Опыты с перфузией корневых систем подсолнечника позволили составить декремент натрия во всей корневой системе и в целом сте-йе (с черешками) взрослого растения подсолнечника [25,28,38]. Как идно из рис. 5, корень не.имеет в этом процессе каких-либо прин-кпиальных преимуществ перед стеблем. Механизмы ионного обмена, йязанные с ксилемным транспортом, работают одинаково эффективно в орне и стебле в первые часы солевого стресса. Однако уже через утки натрий сравнительно свободно проходит через корень, в то вре-я как декремент натрия в стебле сохраняется длительное время.

Принцип действия ксилемного механизма декремента На+ можно

представить следующим образом. Стенки .сосудов ксилемы сравнительно легко проницаемы для воды и ионов, вследствие чего происходит интенсивный ионный обмен в латеральном направлении между содержимым сосудов и соседними с ними живыми клетками стебля, черешка или корня,.а также с апопластом соответствующих тканей. Проницаемость стенок сосудов была измерена несколькими способами и составила в среднем (0,1-3)-10~7 M-см-2-час-1. Эта величина превышает проницаемость плазмалеммы и проницаемость ткани при радиальном транспорте ионов, но она меньше проницаемости клеточных оболочек С21]. В первые моменты перфузии раствора NaCl через стебель наиболее эффективным местом коррекции ионного состава-раствора и декремента натрия является базальная часть стебля. В дальнейшем клетки и ткани базальной части переполняются натрием, и зона наиболее эффективной коррекции раствора перемещается все выше по стеблю, однако даже через 10-15 суток суммарный эффект декремента натрия не снижается.

Таким образом, был найден эффективный механизм ионной коррекции ксилемного экссудата и. декремента натрия в ксилеме при солевом стрессе. Он формирует базипетальный градиент Na+ в надземных органах, защищает верхушки побегов, в том числе меристемы и репродуктивные органы, от избытка Na+. Этот механизм способен функционировать длительное время при сильном солевом стрессе. Однако он не защищает корень и не эффективен в отношении хлора. •

5. изменение водного режима растений и ростовые реакции при действии солевого стресса.

5.1. Исследования быстрого водообмена растений при солевоь стрессе.

' Осмотический фактор был. исторически первым объяснением повреждающего действия солевого стресса на растения (Sbimper, 1898). Хорошо известны потеря тургора, снижение оводненности тканей разных органов,' снижение уровня транспирации, а также изменешш других параметров водного обмена растений при солевом стрессе, jРазности осмотических давлений во внешней среде и в различных ' ком-партментах клеток способны характеризовать движущие силы, направление и величины водных потоков в растении. Осмотические процесс! отличаются значительным-быстродействием,очень малой величиной лаг-периода, многократной' обратимостью, неселективностью и некоторьЫ другими свойствами. Чтобы говорить об осмотической природе реакцш водообмена растений при солевом стрессе, необходимо, в первую оче-

редъ. -приложитьк иимкритерий 15ж7грсщеястшя.

С этой целью был разработан высокочувствительный и малоинерционный метод С431, в основе своей гравиметрический, с фотоэлект-' рической* регистрацией сигнала, принципиальная схема которого изображена на рис. 6. Корневая система не погружена в раствор, проросток целиком находится в воздухе и крепится на чувствительном коромысле, второе плечо которого снабжено непрозрачной шторкой, которая перекрывает световой поток от осветителя на фотоэлемент в большей или меньшей степени, в зависимости от состояния равновесия коромысла. Высокая чувствительность обеспечивается длиной коромысла (25 см), большой крутизной нарастания фототока, а также регистрацией сигнала на самописце с 5-10-кратной компенсацией С20,43).

Солевой стресс вызывает значительную реакции? обезвоживания растений, начинающуюся почти мгновенно, без заметного лаг-периода (Рис. ?). Реакция градуально зависела от концентрации соли, причем эффективны и низкие концентрации, вплоть до 10 и даже до 1 мМ. Реакция была хорошо обратима на низких и умеренных концентрациях соли, могла воспроизводиться многократно, селективность была низкой - все это говорит в пользу осмотической природы быстрых реакций водообмена растений при солевом стрессе. Перемещение воды в системе среда-растение, приводящее к установлению нового равновесия, происходит с секундным быстродействием. На надземные органы эта реакция передается с сильным замедлением .и в ослабленном виде.

5.2. Ростовые реакции корня и надземных органов..

Замедление или остановка роста являются одной из универсальных реакций растений ка солевой стресс (Уоринг, Филлипс, 1984-, Ше-велуха, 1992). Поскольку 'рост растяжением можно рассматривать как сложную функцию многих физиологических процессов (фотосинтез, дыхание, метаболизм, приток ассимилятов, водный обмен,-минеральное питание, гормональная регуляция и др.), представляется вполне вероятным, что влияние солевого стресса на рост - процесс сильно опосредованный (Гребинский, 1967; Иванов. 1973). В то же время имеются некоторые указания о прямом влиянии солевого стресса на рост (Строгбнов, 1962,1973; Строгонов и др., 1970; ВигсЬеи. еЬ а1., 1984). Одним из подходов к решению вопроса является оценка быстродействия ростовой реакции на солевой стресс.

Для этого требовался высокочувствительный малоинерционный метод измерения роста органов, который хорошо разрешал бы низкие скорости роста (5-10 мкм/мйн), характерные для большинства рзсте-

ний. Метод был разработан в двух модификациях: для корня и для надземных органов [403. При этом основное внимание было уделено корню как органу, непосредственно воспринимающему действие солей. Как и в предыдущем методе, проросток целиком находился в воздухе, корень его орошался проточным раствором с постоянной скоростью. Давление корня, обусловленное его ростом, передавалось на чувствительное неравноплечее коромысло, длинное плечо которого перекрывало световой поток в большей или меньшей степени, что вызывало увеличение или ослабл!ение" фототока. Измерение фототока и запись на самописце также осуществляли с многократной компенсацией сигнала (до 10 крат). В экспериментах использовали проростки бобов, гороха, кукурузы и подсолнечника в возрасте 3-7 суток.

На рис. 8 и 9 показана ростовая реакция, соответственно, корня и листа на сильный солевой стресс (0,2 М N301). при этом скорость роста характеризуется углом наклона соответствующей кривой. При общем сходстве ростовой реакции органов, принципиальное отличие состоит в том, что для надземных органов лаг-период достигает 20-40 минут, тогда как для корня его не удается зарегистрировать [19, 40). Второй принципиально важный результат этих экспериментов - обнаружение неизвестного ранее феномена: ростовая реакция растений на солевой стресс может проявляться не только в замедлении или остановке роста, но и в смене'знака самогр процесса. Рост как удлинение или как увеличение массы может смениться в этом случае укорочением, уменьшением размеров органов, хорошо заметным на рис.' 8 и 9. Третий принципиальный феномен состоит в том, что эффективны! не только высокие, стрессовые концентрации (100-200 мМ), но и, очень низкие, допороговые концентрации соли (10-20 мМ ИаС1), по крайней мере, в отношении корня [26,40,41].

Таким образом, можно считать установленным непосредственное. влияние солевого стресса на рост корня. Высокая чувствительность и • очень низкая инерционность применяемого метода позволяют считать этот вывод довольно надежным. Представляет интерес, что по многим параметрам ростовые реакции напоминают быстрые реакции водообмена при солевом стрессе. Конечно, регуляция роста органов- осуществляется и через фитогормоны, зависит от притока ассимилятов и многих других факторов, тем не менее, по-видимому, существует непосредственная связь между солевым стрессом и скоростью роста, осуществляемая через осмотический механизм. В несколько упрощенном виде эта связь может быть представлена выражением: V - Ц (Дк - а) ,.где V,- скорость роста, С! - пластичность (растяжимость) клеточной обо-

лочки, Ъя -градиент осмотического давления между клеткой и средой, ос -тургорное. давление, ниже которого рост растяжением не имеет места (Уоринг, Филлипс, 1984). Фитогормоны оказывают влияние преимущественно, на 0, изменяя растяжимость клеточной стенки, солевой стресс может непосредственно влиять на скорость роста через изменение осмотичесокй компоненты - Лтт.

б. сопряжение водного и, солевого обменов в растении при солевом стрессе. Механизмы осмотических процессов в интактиых< клетках и тканях растений (Гипотеза).

В условиях солевого стресса особенно явно проявляется тесная двусторонняя связь ■ между транспортом воды и тонов в растении. В предыдущем разделе показан осмотический характер этой связи для' процессов роста и водоснабжения корня. При перфузии сосудов ксилемы в фрагментах стеблей подсолнечника и томата выявлены связи С -Г (V) и V - Г (С) 130,34]. Первая связь по форме напоминает просто зависимость концентрации от разбавления, но не совпадает с ней. Вторая зависимость, имеющая логарифмическую форму, может быть объяснена через изменение просвета сосудов, обусловленное снижением тургора тканей стебля при перфузии растворов соли [22,24]. Несколько неожиданный феномен V - Г (С), то есть зависимость скорости перфузии от концентрации соли в перфузате, объясняет многократное замедление ксилемого потека при солевом стрессе [19,29]. Это еще один серьезный транспортный барьер в ксилеме, в равной йере касающийся уже обоих ионов, Иа+ и С1~, который тоже может выступать в роли элементарного механизма солерезистентности.

Специфика осмотических явлений в растении касается, главным образом, временных и концентрационных параметров соответствующих реакций.. Так, можно отметить сравнительно малое быстродействие некоторых реакций водообмена, существование значительных лаг-периодов, а также неэффективность низких концентраций солей (<50 ыМ). С другой стороны, известно, что осмотическая реакция начинается мгновенно, идет сразу с максимальной скоростью, которая в ходе реакции обычно снижается, а для ее осуществления достаточно даже очень небольших концентрационных градиентов осмотика (соли).

Получается,, что некоторая часть наблюдаемых в наших экспериментах эффектов, а также хорошо известный феномен плазмолиза, не подчиняются осмотическим законам [20,26,40,41]. Причины этого, по-видимому', следует искать в структурных особенностях растительных клеток-к тканей. Представим себе особенности строения и функццони-

- 16 - ' рования растительной клетки следующим .образом: .

- Цитоплазма - жидкая фаза, золь, принимающая, как всякая жидкость, форму твердого тела, с которым она граничит.

- Клеточная оболочка - твердое тело, эластичное, но имеющее ограниченную растяжимость. Микроповерхность клеточной оболочки представляет собой сложный рельеф с многочисленными выступами и впадинами разных размеров, вплоть до очень мелких. Обращенные к цитоплазме участки оболочки довольно рыхлы, легко проницаемы для воды и солей'и образуют так называемое свободное пространство <СП) ткани, потенциально,составляющее до 10 7. ее объема:

- Наличие тургорного давления, достигающего больших значений (5-10 ат), не только прижимает цитоплазму к оболочке, но вдавливает поверхность цитоплазмы вместе с плазмалеммой внутрь свободного пространства в виде многочисленных тяжей и выступов, вследствие чего незанятый объем свободного пространства сокращается в тургес-центной ткани до 2-3 X.

- Образуется переходный слой, имеющий сложную структуру, очень подвижную, зависимую от осмотического давления среды (через тургорное давление). В сравнении с поверхностью изолированного протопласта, поверхность плазмалеммы интактной клетки увеличена многократно, причем величина этой поверхности осмозависима. Такой же подвижной и осмозавиоимой величиной является объем СП ткани.

- При солевом стрессе величина поверхности цитоплазмы сильнр сокращается, а объем СП ткани возрастает. Однако эти изменения происходят медленно, вследствие того, что переходный слой обладает значительной консервативностью. Это можно объяснить высокой вяз1 костью жидкой цитоплазмы (цитозоля), перемещение которой внутри структур оболочки сопровождается большим внутренним трением и происходит поэтому замедленно. *

Такая схема удовлетворительно объясняет, в частности, ке-дато-¡рые аномалии плазмолиза: лаг-период и неэффективность низких концентраций солей [3]. При действии на клетки больших концект. )аций. ' соли или осмотика плазмолитическое сокращение протопласта происходит в 2 фазы: медленное затрудненное перемещение цитоплазмы в пределах переходного слоя, затем быстрое осмотическое сокращение свободного протопласта. Первая, медленная фаза как раз и обусловливает лаг-период и кажущееся неподчинение осмосу при плазмолизе, а также общее замедление, осмотического обезвоживания клеток. При действии доплазмолитических концентраций солей процесс не выходит за пределы первой фазы, и видимых изменений объема протопласта не

происходит (хотя выход воды имеет место). По-видимому, существует авторегуляторная система: взаимодействие внешнего растпора (или раствора СП), с клеткой будет максимально на пресном фоне, поскольку поверхность протопласта велика, а при солевом стрессе сила воздействия будет значительно снижена, в связи с тем, что в несколько раз уменьшена поверхность протопласта, через которую это воздействие осуществляется. Это еще один механизм замедления осмотической реакции, .то есть солерезистентности на клеточном уровне - авторегуляция оптимальной поверхности протопласта.

Эта схема довольно хорошо согласуется с экспериментачьнычи данными. При доплазмолитической концентрации соли показан выход воды из корней интактиых проростков [25,29] и возрастание объема СП корней [8-10). При сильном солевом стрессе обезвоживание корня начинается с первых же секунд воздействия,' почти такгце бистро снижается тургорное давление в клетках корня [20,26,29]. Известно также, что ряд других изменений,- например, электрофизиологических показателей, начинается задолго до появления видимого плазмолиза (Гунар, Кудасова, 1970). Были получены микрофотографии тех структур, которые названы здесь переходным слоем (Курсанов, 1982; Sitte, 1972). Показано значительное увеличение апопластной проницаемости растительной ткани при солевом стрессе [3,6,28,38].

Представим теперь, как может происходить плазмолиз в интакт-ной ткани, где плапмолитик воздействует непосредстпенно лишь на первый наружный слои клеток. Проникновение плазмолитикл к глубинным клеткам происходит путим ли'!«!>упии по СП апопласта, то есть мед-пенно. Особенностью глубинных клеток интактной ткани является то. что внешняя среда представлена для них п виде свободного пространства, объем которого составляет в тургесцентных клетках не более 2 -3 Z от суммарного объема. Когда начинается плазмолиз очередного ;лоя клеток, происходит интенсивный выход воды из клеток в эти же 1-3 Z объема ткани, то есть имеет место значительное разбавление иаэмолитика в апопласте. Кроме того.апопласт является коллектором ;ля вывода воды, выделяемой всеми плазмолизирующими в данный момент метками' в наружную среду. Эта вода движется в направлении, обрат-юм тому, как движется плазмолитик по этому же участку апопласта, !то тоже замедляет распространение плазмолитика вглубь ткани.

Таким образом, в интактных клетке и ткани существует несколь-:о механизмов замедления осмотической реакции. На клеточном уровне -

это механизм, работающий за счет структурных особенностей переодного слоя, а также система авторегуляции оптимальной посерхнос-

ти протопласта. На уровне ткани,- во-первых, транспортный барьер в виде сети узких каналов СП алопласта, обусловливающий замедленную диффузию ионов к клеткам, во-вторых, эффект разбавления плазмоли-тика в СП водой, выделяющейся из клеток, в-трет'ьих, противоток воды и ионов соли в апопласте. Эти элементарные механизмы резистентности солевому стрессу заложены' в самой структуре растительных' клеток и тканей. Однако, возможности сопротивления солевому.стрессу у гликофитов ограничены; в основном, они. исчерпываются при слабом засолении. Можно заключить, что проявление осмотических явлений в растении, как в норме, так и при солевом стрессе, весьма разнообразно и не сводимо к одному понятию осмотического фактора. Это целый класс явлений, особенно значимых при солевом стрессе, дальнейшие исследования которых, безусловно, необходимы.

7. изменения электрофизиологических параметров растений при солевом стрессе.

При засолении общая концентрация солей в среде может возрастать на 2-3 порядка, что вызывает такое же гигантское увеличение осмотического давления, а кроме того - увеличение электропроводности среды на порядок и больше [28]. Значительно возрастает также электропроводность тканей растений. Этот параметр может являться физиологически значимым фактором, а его изменения могут быть первопричиной разнообразных физиологических нарушений. В первую очередь, это касается ион-транспортных процессов, вследствие значительных изменений электрохимических градиентов (ЭХГ) (Гунар и др. 1969; Красавина, 1974; Паничкин, 1990). <

Теоретически шунтирующий эффект можно представить следующим образом. Среда с высокой электропроводностью воздействует непосредственно только на корневую систему, обусловливая частичное закорачивание, шунтирование существующих там разностей электрических потенциалов (РЭП) между различными структурами, в первую очередь, на поверхности корня (Рис. 10). Это внешний шунт, самый быстродействующий, срабатывающий практически без лаг-периода,, сразу! после наложения солевого стресса [13]. Внутренний шунт связан а накоплением избыточных ионов Ма+ и С1~ в клетках и тканях растений," на что требуется время, разное для надземных органов и корневой системы [12,13). Возрастание удельной электропроводности корней наблюдали уже через 20-60 минут, для надземных органов это время значительно больше (часы или сутки). В структурном отношении внутренний яунт может быть представлен двумя вариантами: апоплзстный и

симпластный. В пределах одного органа апопластный шунт вступает в действие раньше симпластного. По силе воздействия шунты можно выстроить в следующий ряд: внешний < апопластный < симпластный,-обратный ряду быстродействия шунтов. Особенность источников ЭДС растений состоит в том, что они очень маломощны, ориентировочно 10~10 - Ю-7 Ватт [12]. Поэтому они способны функционировать (создавать РЭП) лишь в некотором диапазоне электропроводностей, впрочем довольно широком - Ю-6 - 10~3 Sim, что примерно соответствует концентрации солей от 0,01 до 10-50 мМ. Более высокая электропроводность приводит к быстрой разрядке источников ЭДС и снижению некоторых РЭП растений, вплоть до нулевых значений.

Для доказательства внешнего шунта были проведены модельные эксперименты с токопроводящими субстратами [12-15). Растения гороха, бобов, томатов (в возрасте 2-3 недель)' выращивали в факторостатных условиях на 1/2 питательной смеси Кнопа в 8 вариантах субстрата: 1) водная культура без субстрата; 2) вермикулит; 3) песок; 4) полиэтиленовые гранулы; 5) графитные стержни; б) алюминиевые стержни; 7) цинковые гранулы; 8) железные стержни.

Таблица 3. [13]

Доказательства внешнего шунта (Результаты дисперсионного анализа).

мые суб- 1 гра- фактори- | ность фак-|

1 . 1 страты 1 даций 1 ального влияния | ториально-1 | го влияния!

|Сырая масса | 1 1

(целого раст. ,г| Все 1 2 0,167 I >0,95 I

| . То же | " 13 0,193 | >0,95 I

1 " 1 и 1 8 0,610 | >0,999 |

|Число листьев | и 1 8 0,604 | >0,99 |

^Сырая масса, г| Только 1

изоляторы | 4 0,256 | <0,95 |

| То же | Только

• | проводники . 1 4 0,652 | <0,95 I , - 1

• Таким образом, половина вариантов (1-4) была представлена изолирующими, а другая половина (5-8) - токопроводящими субстратами. Токопроводящие субстраты в виде стержней или гранул при плот-

ной набивке ими сосудов обеспечивали .высокую электропроводность среды обитания корней и тесные многочисленные контакты корешков с частицами субстратов. Проведенный с большой повторностью, такой опыт дал необходимый материал для статистических анализов: корреляционного, дисперсионного и методом критерия хи-квадрат. Результаты дисперсионного анализа (Таблица 3) показали, что все значительное многообразие различий между вариантами уверенно перекрывается разницами 2 групп субстратов: изоляторов и проводников. Сравнивали по морфологическим показателям угнетающее действие на растения солевого стресса (0,5% ИаСП и токопроводящих субстратов и получили сопоставимые результаты.

Для доказательства внутренних шунтов в корне использовали технику сканирования корня в длину по электропроводности, . а также по РЭП между различными участкайи корня и корневой шейкой [27,45,46]. В этих методах измерительным электродом служил фактически мениск раствора, который, перемещаясь с постоянной скоростью от кончика корня к базальной части, производил собственно сканирование. На одном и том же объекте удалось показать и возрастание удельной электропроводности корня, и снижение РЭП до близких к О значений при концентрации МаС1 выше 50 мМ. Лаг-период этих измене- , ний составлял до 30 минут. Для надземных органов измеряли электропроводность и РЭП между корневой шейкой (или питательным раствором) и разными участками стебля и черешков листьев на взрослых ■ растениях подсолнечника при нескольких уровнях засоления среды : [14,15,28,29]. Проводили многократные измерения РЭП между фиксиро- ( ванными точками в течение нескольких дней при 5-кратной биологической повторности (Рис. 11). Как видно, уже при не очень большом возрастании электропроводности стеблей начиналось снижение РЭП, а при увеличении электропроводности в 2-3 раза РЭП снижались практически до 0. Такую картину наблюдали на 20-й день засоления, в. более ранние сроки ионы Иа+ и С1~ еще не проникли в надземные органы и не накопились там в достаточно высоких концентрациях.'

Имеются литературные данные о важной функциональной роли злектро-физиологических механизмов в растении. Показана тесная 2-сторонняя связь между транспортом ионов и электрофизиологичесюми . явлениями, например в рамках электрохимической гипотезы ионного транспорта (Кларксон,г 1978; Люттге и др., 1988). Избирательное распределение ионов между различными структурами растения может . обусловливать возникновение или изменение соответствующих РЭП (ЭДС). а сами РЭП способны селективно управлять ионными потоками

через потенциалзависимые механизмы (Паничкин, 1990; Юрин и др., 1991). Изучена топография РЭП между различными органами растения, показано влияние электрических потенциалов на параметры водного режима, влияние отдельных ионов на БЭР органов, приводятся данные о функциональной роли процесса распространения электрического возбуждения у растений (Гунар и др., 1969; Маслоброд, 1973; Злотнико-ва и др., 1977; Ретивин, 1988; 61агс11па еЬ а1., 1976). Методом сканирования корня по РЭП было показано, что электрический заряд поверхности корня находится в определенном электро-химическом равновесии с ионным составом внешнего раствора, так что при замене в растворе одной соли на другую происходила перезарядка корня,[45].

На электрохимических моделях с проточным раствором электроли- ' та были исследованы возможности прямых связей между электрическими потенциалами, транспортом воды и ионов солей [2,4,7]. На таких моделях был получен эффект избирательного распределения ионов (селективность) , причем удалось селектировать не только катионы К+, Ча+, Са2+, но даже элемены-аналоги К+'и в отношении которых

:елективность растений вызывала сомнения и была исследована специально [13. На другой группе моделей получили эффект управления жоростью и направлением водных потоков при воздействии постоянного электрического поля низкой напряженности [4,5). Близость некоторых параметров электрохимических моделей и растительных объектов [скорости водных потоков, концентрации растворов солей, напряжен-¡ость электрического поля) делают очень вероятной приложимость та-сих проточных моделей к процессам ксилемного и апопластного транс-юртов воды и ионов в растении (5,6]. Электрохимические модели и 1лектрофизиологические исследования показывают важное и многосто-юннее функциональное значение электрофизиологических механизмов в >астении, выключение или ослабление которых, вследствие эффекта унтирования при солевом стрессе,может быть причиной угнетения или ибели растений.

Таким образом, сформулирована гипотеза о шунтирующем влиянии олевого стресса на растение. Получены экспериментальные доказа-ельства большинства положений этой гипотезы. В целом она хорошо огласуется с общей концепцией электрофизиологических явлений в астении [14,15,28]. Значительное возрастание удельной электропро-одности внешней среды, затем тканей корня и надземных органов ока-ывает угнетающее действие на растения,подавляет рост и может быть тнесено; по-видимому, к повреждающим факторам солевого стресса.

8. некоторье методы воздействия на водно-солевой обмен, позволяющие изменять уровень солеустойчивости растений.

Одно из положений, развиваемых в настоящей работе, состоит в том, что водно-солевой обмен, являясь первичным адаптером воздействия солевого стресса на растения, в то же время может рассматриваться как непременная и важная часть солеустойчивости. Это положение подтверждается разнообразными экспериментальными, теоретическими и литературными данными. Одним из логических следствий такой концепции является также возможность изменять уровень солеустойчивости растений; воздействуя на их водно-солевой режим. Известно очень немного работ такого рода (Матухин и др., 1954; Ген-кель, 1960; Ппск, 1974). В этом разделе приведены некоторые литературные и оригинальные данные, посвященные этому вопросу.

8.1. Метод импульсного засоления среды (ИЗО).

Существо метода ИЗО состоит в том, что солевой стресс накладывается в виде серии импульсов засоление-рассоление. Предварительные эксперименты показали, что солевой стресс, длительностью менее 30 минут, еще не вызывает сколько-нибудь заметного последействия, значит,по-видимому, и не оказывает на растение серьезного -пбвреждающе " ~ (рвоначальная длительность та-

ность импульсов увеличивали 'вдвое, переводя растение постепенно на постоянное засоление, обычно на 7-10 сутки ИЗС. Такой импульсный режим перевода растений на большое засоление, до 1-1,5 % для гороха и бобов, сопоставляли с обычным внезапным засолением в параллельных вариантах [18,193.

■Растеййя "в 'вариантах внезапного засоления погибали через 2-4 недейт. 1 После;режима ИЗС растения продолжали вегетировать на высоких концентрациях соли еще длительное время, былиIспособны к образованию' репродуктивных органов и семян. В таблицей показаны некоторые характеристики растений. В сравнении с контролем, водрпот-реблеййе растений при внезапном засолении снижалось примерно в 4-Е 1рг&. а при ИЗС - только в 2-3 раза (Рис. 12). Электропроводность к содержание натрия в надземных органах были достоверно ниже у вариантов ИЗС, чем при внезапном засолении, хотя растения находились одинаковое время на растворах равной концентрации.

ких импульсов

затем каждые сутки длитель-

• Таблица 4.

Морфофизиологические показатели растений-бобов при ИЗС [18].

Показатели

Контроль

0,7% МаС1 ИЗС

-1-1

1,57. N301 | 1,5% N801 ИЗС I ВЗ

24,33±0,57

+3,52+0,32 5,58+0,27

0,46±0,02 15,22±0,68

21,03+1,03

+1,75±0,1б 5,67+0,20

0,50±0,08

241,0±0,53

21,37+0,95! 17,00±1,51

-0,93+0,97| -2,11±0,20

5,10±0,10| 4,50+0,52

0,28±0,03| 0,14±0,01

1206,3+67,О|2672,2+288

_I_

Можно предположить, что в период ИЗС периодически повторяющееся рассоление препятствует развитию глубоких повреждений, как при внезапном солевом стрессе, а также замедляет проникновение ионов Ма+ и С1~ в ткани и клетки растений. В целом создается более благоприятный режим перехода к непрерывному сильному засолению, отчего в конечном итоге солеустойчивость растений возрастает.

8.2. Некоторые другие методы.

Другой путь повышения солеустойчивости растений обнаружен при исследовании солевого обмена растений методом проточной культуры (МПК), при котором наблюдали 2 интересных феномена: форсированный рост растений и снижение,чувствительности к солевому стрессу [39]. растения, -выращенные на проточной культуре, по размерам, сырой и сухой биомассе и некоторым другим показателям обгоняли непроточный контроль для гороха в 5-7 раз, для кукурузы и томатов - в 1,5-3 раза. Форсированному росту предшествовал, однако, период полной остановки роста, длящийся в течение 10-15 дней после перевода растений на МПК. В последующие несколько суток растения догоняли, а затем и уверенно обгоняли по биомассе непрерывно росший непроточный контроль. , У гороха при МПК развивались все пазушные побеги. У кукурузы возрастам также число и размеры репродуктивных

органов. Как правило, растения вариантов МПК имели большие линейные размеры, утолщенные осевые органы и листья, увеличенные листовые пластинки, разрастание вегетативных органов не сопровождалось морфозами и происходило в результате увеличения как числа, так и -размеров клеток.

Растения, находящиеся в состоянии форсированного роста на МПК, оказались нечувствительными или малочувствительными к солевому стрессу (1 % N801 на фоне 1/2 ППС). Так, при обычной гидропонике растения кукурузы'погибли при 1 % НаС1, а при МПК продолжали ве-гетировать и дали урожай (Табл. 5). Для томатов, гороха, бобов, подсолнечника накопление Иа+ в надземных органах при МПК было в 23 раза ниже, чем в аналогичных непроточных вариантах; у кукурузы натрий при МПК практически не накапливался. По-видимому, МПК представляет большие потенциальные возможности для понимания природы солеустойчивости растений.

Таблица 5.

Морфологические показатели растений кукурузы в опытах с МПК.[37]

1 1 | Показатели | Обычная гидропоника 1 | МПК 1

Контроль 1 | 1% МаС1 1 1 | Контроль | IX ИаС1 |

|Сырая масса, г | 1

I корня | 48; 46 1 7.33 1 61.38 | 70,05 |

1 надземной части! 87,93 1 11,83 I 110,47 | 53,47 |

| метелки | 1,86 1 1.16 1 1.68 1 2,31 |

^ початков | 22,41 | . - | 33,94 | 5,46 |

(Средняя длина, см| 1 1 1 1

¡1 стебля | 88,0 'I 24,6 1 79,2 | 64,3 |

1 метелки | 32.1 ' 1 13,5 1 31.7 | 1 30,4 |

4 одного листа | * 45.7 1 42.5 | 50.9 ; | 1..............и 1 49.1 1

Еще один экспериментальный подход к повышению солеустойчивости растений вытекает из экспериментов по перфузии сосудов кйилемы стеблей и корней растений. Были получены искусственные симбионты, 2-ярусные растения, причем в нижнем ярусе использовали более соле-устойчивыо виды, подсолнечник, томат, а в верхнем ярусе - неустойчивые к солям культуры, главным образом, бобовые. Сочленение яру-

сов при помощи прививки было, конечно, невозможно, вследствие видовой несовместимости компонентов. Поэтому проклюнувшиеся семена растений 2-го яруса высаживали в ямку, сделанную в сочных тканях более взрослого растения 1-го яруса. Растения обоих ярусов переходили к репродуктивной фазе при солевом стрессе. Удалось даже получить семена гороха,'выросшего на стебле подсолнечника при 1-1,5 X ' ИаС1 в среде. ■

Методы, изложенные в этом разделе, можно назвать экспериментальными моделями повышения солеустойчивости. Первые 2 метода •• кинетические модели, третий - структурная. Были испытаны и некоторые другие приемы. Например," строили систему с обратной связью, так что темп засоления среды зависел от интенсивности транспира-ции, которая, в свою очередь, изменялась при солевом стрессе. Чем больше подавлялась транспирация при попадании первых порций NaCl в питательную среду, тем медленнее проходило дальнейшее засоление. При такой технике у соленакапливающего подсолнечника солевой стресс накладывался быстрее и в больших масштабах, чем у кукурузы, солевой обмен которой приближается, по-видимому, к соленепро-ницаемому типу. Автоматически устанавливались и разные временные режимы для процессов адаптации. Подобная схема с обратной связью была описана для одноклеточных водорослей, только вместо транспи-рации там использовалась оптическая плотность растворов, отражающая скорость роста и делений клеток (Спекторов, 1982). Это также кинетические методы. В обоих случаях солеустойчивость организмов в такой системе с авторегуляцией существенно отличалась от уровня солеустойчивости при обычном "внезапном" наложении солевого стресса. С подвижными одноклеточными микроводорослями рода ОипаНеПа использовали оригинальную технику осмо- и хемотаксиса, когда популяции клеток предоставлялась альтернатива из 2-х или нескольких сред с различным уровнем ИаС1 или других солей (31,443. По результатам избирательного передвижения клеток отчетливо проявлялось предпочтение одних сред перед другими. Короткий цикл развития водоросли позволяет предположить, что имеет место не просто перемещение клеток, но селекция (автоселекция) определенных генотипов внутри популяции. Это уже иной тип экспериментальной модели - попу ляционный.

Таким образом, существуют немалые и весьма разнообразные возможности построения экспериментальных действующих моделей повышения солеустоЖивости. Пока остается неясным, возможно ли такую "биотехнологию" использовать в практических целях, однако сам факт

существования таких моделей делает возможность повышения солеус-тойчивости растений физиологическими методами более вероятной. Работ такого плана известно мало (Строгонов, 1962; O'Leary, 1975; Nabors et al.,- 1980). Насколько можно судить по первым опытам, такое направление исследований может оказаться перспективным.

9. экспресс-тестирование солеустойчивости растений.

Помимо физиологических и . биохимических технологий повышения солеустойчивости растений, в настоящее время уделяется большое внимание получению солеустойчивых сортов ряда культурных растений (Жученко, 1990; Sharma, 1986; Bizld et al.,1988). Успеху этой работы должны способствовать экспресс-диагностические методы оценки генетического материала, позволяющие сильно сократить длительные, многолетние испытания вновь полученных образцов прямыми диагностическими методами (Бажанов и др.,1986; Pay, 1988; Bolarin, 1990). В лаборатории биофизики растений ТСХА эта работа ведется нами с 1988 года. При этом оказались полезными те методы и подходы, а также теоретические представления, которые были разработаны ранее в физиологических исследованиях [26,27,32,33,35,40,41,45,46].

Переход к работе с семенами как специфическим объектом экспресс-диагностики способствовал разработке некоторых новых методов, в которых также использовались параметры водно-солевого обмена растений, адэкватные их солеустойчивости. Измеряли электропроводность семян на пульсирующем токе (0,1 Гц, длительность импульса 50-100 мсек) в первые минуты набухания или при прерывании набухания. На 8 сортах огурца измеряли водоудерживающую способность семян при действии солей, осмотиков и водоотнимающих веществ. Исследовали ионный состав, а также набухаемость семян 21 сорта огурцов [29,35,36,37]. ' ,

Рассмотрим последний метод более подробно. Обоснованием метода служит известный факт видовой и сортовой геноспецифичности ионного состава семян, который довольно жестко гомеостатирован (Ягодин и др. , 1991). Кроме непосредственно измеряемых показателей (содержание катионов K+,Na+,Ca2+, электропроводность водных экстрактов, набухаемость семян), использовали некоторые m соотношения, например, соотношения катионов, которые более удобны и надежны, чем сами концентрации ионов, и легче поддаются физиологической трактовке (Marschner et al., 1971; Aswathappa, et al., 1986; бог-, ham, 1090). Отношение K+/Ca2+ принято считать индикатором соотношения процессов возбуждения и торможения в растении,чему может-со-

ответствовать низкая или высокая общая устойчивость (Гунар, Палич-кин, 1969; ЛезсЬке,1979). Отношения К+/Ка+ и Са2+/№+ могут служить показателем натриевой селективности и.натриевой устойчивости, причем они не тождественны друг.другу (Петров-Спиридонов, 1568; ТегтгшЛ е1 а1.,.1986). Степень набухаемости семян может быть связана с 'их осмотическими свойствами. Общее число параметров, как-непосредственно измеренных, так и расчетных, достигало в данном методе 10-15.

Работа на большом числе образцов позволяет использовать прием построения параметрических рядов, то есть расположить все сорта в ряд по возрастанию (или убыванию) какого-либо одного количественного параметра. Построенные по всем измеренным и вычисленным параметрам такие ряды не совпадают и не должны совпасть, поскольку каждый параметр характеризует определенный набор свойств данного сорта. Суммация рядов позволяет обобщить всю полученную в экспериментах информацию,несмотря на ее внутреннюю противоречивость С3?3.

Для более глубокого анализа данных необходим специальный математический аппарат. Такой анализ экспериментальных данных позволяет не только получить ряд солеустойчивости сортов, но и объективно разбить, весь массив сортов на несколько групп, для которых весьма вероятны разные механизмы солеустойчивости. Существование таких качественно разных групп во всяком большом массиве сортов имеет хорошее общебиологическое и физиологическое обоснование: по-лигенность самого свойства солеустойчивости, различия в физиологических механизмах, разное происхождение сортов. Как видно из табл. 6, составляющими солеустойчивости могут быть общая устойчивость, ' или специфическая натриевая устойчивость, или осмоустойчивость, при несовпадении их соотношений в каждом сорте.

Наш опыт работы по экспресс-тестированию солеустойчивости, а также зеакомство с литературными данными, выявили необходимость методологической разработки проблемы в целом. В отличие от прямых диагностических методов, так называемая, экспресс-диагностика, оперируя с одними объектами и их свойствами (молодые проростки или семена; их электропроводность, РЭП, водообмен, содержание ионов и другие параметры), должна делать заключения о совершенно других объектах и свойствах (взрослые растения в онтогенезе; их солеус-тойчивость). Парадокс состоит в том, что "экспресс-диагностика", по-видимому, в большей мере прогнозирует, чем диагностирует.

Таблица 6.

Результаты логико-математического анализа многопараметрических данных, полученных методом количественной оценки набухаемости и катионного состава семян гороха [35].

"г-1-;—I-1-1-п

NN Тип и формула X р 21 Плодовитьый ;

прупп солеустойчивости X а 20 ТСХА-442

1 5 Об,Ос,Na X н 19 Дебют

- X г 18 Апрельский

П 4 Об,Na X 17 Весенний сал.

Ос X с 16 Зозуля

ш 3 Об, Ос X о 15 Фортуна

Na X л 14 Алтайский ран.

2 Ос X е 13 ТСХА-440 .

Об, Na X У 12 Манул

IV 1 Об X с 11 СШ>

Ос, Na X т 10 Неросимый

0 - X 1 0 9 Марфинский '

Об,Ос,Na X й 8 Ржавский ,

X ч 7 Барнаулец

X и 6 Атлант

X в 5 Эстафета

/ . X 0 4 Сентябрьский

1 X с 3 Вязниковский

1 X т г Муромский-36

1 1 X и 1 Марафон

1 0 1 2 3 4 5 Тип солеустойчивости

1 IV ш п 1 NN групп сортов

Примечание. Солеустойчивость сортов выражена количественно в рангах от 1 (min) до 21 (тах). В формулах устойчивости символами Об, Ос и Na выражены, соответственно, общая, осмотическая и натриевая компоненты солеустойчивости, которые присутствуют в сорте, если помещены в числитель формулы, и отсутствуют, если расположены в ее знаменателе. Курсивом выделены маркерные сорта. "■

Прогностический характер "экспресс-диагностики" является, на

наш взгляд, принципиально важным моментом, в корне меняющим подход к проблеме. Необходим специальный логико-математический аппарат,который позволил бы по результатам данных экспресс-тестирования делать собственно прогноз о сравнительной солеустойчивости образцов. Ужесточаются требования и к самому тестированию, предпочтительны многопараметрические или кинетические методы, желательно привлечение возможно большего числа генотипов, в том числе маркерных. Качественную неоднородность всякой большой группы сортов, если она выявляется в процессе логико-математического анализа данных, по-видимому, следует считать нормальным явлением, отражающим множественность механизмов солеустойчивости растений [35-37].

10. водно-солевой обмен растений при солевом стрессе.

обобщение экспериментальных данных.

■ В самом общем виде, влияние солевого стресса на водно-'соловой обмен растений можно представить следующим образом. Теоретически мгновенно при внезапном засолении происходит резкое изменение, по" крайней мере, 3-х физико-химических параметров среды: +Ля и

+Дэе, то есть возрастание химического потенциала.для ионов Иа1" и С1~ (почти на 2 порядка), осмотического давления (примерно в такой же степени), удельной электропроводности среды (в 10 и более раз).

Фактор +Дц. непосредственно воздействует на солевой обмен растений, вызывая усиленный транспорт ионов Ыа+ и С1~ внутрь, причем этот транспорт охватывает все большее число структур и органов, вначале в корне, затем в надземной части растения. Очень большие количеств^ и концентрации засоляющих ионов, внедряющиеся в растение под действием аномально высоких ЭХГ, производят существенные изменения в транспорте других ионов (БсМеиг е1 а!.,1976; богЬат, 1990). Наблюдается резкий дисбаланс ионов в клетках и тканях, антагонизм К+ и Ма+, происходит снижение отношения К+/Са2+, сдвиг рН в кислую сторону [8-11,16,17]. При одновременном действии фактора +Дя происходят существенные повреждения и нарушения в корневой системе, возрастает объем апопласта [6,9] и интенсивность аполластно-го транспорта [3,25,281, а также нарушается барьерная функция клеточных мембран, что означает пассивизацию транспортных процессов [6,10,16,23,28,30,933. Вслед за попаданием избыточных количеств натрия в сосуды ксилемы, начинается интенсивная загрузка натрием нижних ярусов надземных органов [21,22,24,28,38], после чего тал возможны все те же процессы повреждения и пассивизации транспорта, которые значительно раньше имели место в корнях.

Фактор +Дя непосредственно связан с водным обменом. растений. Он отличается большим быстродействием и способен вызывать сильное обезвоживание растений, в первую'очередь, корневой системы. Через некоторое время тургор может восстанавливаться, однако обычно недостигает исходных значений [20, 28, 34]. При больших +Дя (сильный солевой стресс) возможен плазмолиз клеток корня,, происходит обезвоживание, потеря тургора, остановка роста и осмотическое укорочение органов [9,16,26,40,41]. •

Особенно неблагоприятно сказывается на водно-солевом обмене растений совместное влияние факторов +Ац и +Дя, как это и имеет место при солевом стрессе. Если ион-транспортные барьеры справляются с солевым стрессом, то есть накопления избытка ионов не происходит (как это имеет место у некоторых галофитов), то создается сильнейший водный стресс, обусловленный осмосом. Если ионы проникают в клетки, то водный стресс значительно ослабевает, однако, развивается солевой. Таким образом, для солевого стресса характерен антагонизм водного и солевого обменов. Имеет место альтернатива: или не накапливаются соли, но зато теряется вода, или сохраняется вода, но образуется вредный избыток ■ ионов солей. У гликофитов решение этой альтернативы бывает обычно компромиссным. .'"'■

Фактор +Дае вызывает шунтирование разнообразных. РЭП, то есть частичную или полную разрядку всех источников ЭДС в растении. По локализации электрические шунты, можно подразделить на внешний -шунт, самый слабый, воздействующий только на поверхностные клетки корня, апопластный, функционирующий на уровне ткани, . и симпласт-ный, закорачивающий внутриклеточные РЭП [12,143. Экспериментально показано, что значительное возрастание электропроводности внешней среды и тканей растения, обусловливающее шунтирование разнообразных °ЭП, подавляет рост органов и вызывает угнетение и гибель растений (12,153. Шунтирование РЭП при солевом стрессе сказывается на процессах ионного транспорта и водно-солевого обмена через изменение ЭХГ,а также на ряде других физиологических процессов (фотосинтез, дыхание, транспорт воды и т.д.), связанных с нормальным функционированием электрофизиологических механизмов в растении.

Таким образом, солевой стресс - многофакторное воздействие, первичным адаптером которого являются процессы водно-солевого обмена, нарушающиеся последовательно во всех органах растения и на разных уровнях организации. Многочисленные структурные и функциональные изменения, производимые солевым стрессом, логично классифицировать по их влиянию на дальнейшее развитие самого стресса. Те,

изменения, которые ослабляют и замедляют дальнейшее воздействие, -правомочно рассматривать как первичные механизмы солерезистентнос-ти. Изменения иного рода, которые облегчают и ускоряют дальнейшее воздействие, можно,соответственно, рассматривать в качестве повреждающих факторов солевого стресса, список которых представлен на схеме в таблице 7.

Таблица 7.

Схема локализации некоторых структурных повреждений и функциональных. нарушений, производимых солевым стрессом в растениях.

1 1 Уровень г " ■ 1 |Преимущ.|

| органи- Характер повреждений или нарушений (локали- |

зации |эация |

¡Клетка - обезвоживание 1 КС |

- плазмолиз 1 ■ "" 1

- повреждение клеточных мембран 1 ..» |

- накопление избытка ионов Na+ и С1~ 1 ВР |

(Ткань - увеличение объема апопласта 1 КС |

- снижение отношения: симпл./апопл. транспорт 1 "" 1

- симпластный шунт 1 ВР |

- апопластный шунт 1 "" 1

- увеличение проницаемости для воды и ионов 1 КС |

- потеря тургора 1 но |

|Орган - внешний шунт 1 КС 1

|или ор- - остановка или замедление роста органов 1 ÓP I

|ганизм - снижение скорости транспирационного потока 1 "" 1

- создание базипетального градиента tla+ 1 но ]

Примечание. В графе "Преимущественная локализация" I

| приняты следующие обозначения: КС - корневая система. НО - 1

| надземные органы, ВР - все растение, i i 1 1

При исследовании кинетики водно-солевого обмена растений при солевом стрессе и при теоретическом осмыслении наблюдаемых феноменов были обнаружены также механизмы солерезистентности, на которых всякий раз акцентировалось внимание при описании соответствующих

-заявлений, и которые собраны воедино на схеме в таблице 8.

Таблица 8. ■

Схема-локализации некоторых'механизмов солерезистентности растений

1 |Уровень 1 1 Преимущ. |

¡оргапи- Структура или механизм локали- |

|зации зация |

|Клетка - клеточные мембраны как транспортный барьер 1 ВР |

- вакуоль как механизм ионного гомеостатирова- КС 1

ния цитоплазмы

- авторегуляторный механизм оптимизации поверх- ' ВР |

ности протопласта

- консерватизм переходного слоя на границе ци- КС |

топлазма/клеточная оболочка, способный за- ■

медлять осмотическую реакцию 1

|Ткань - замедление диффузии ионов плазяолитика по ог- 1 КС. |

раниченному объему апопласта ]

- разбавление солевого раствора в апопласте 1 М( |

- противоток ионов и воды в апопласте <111 1

- эндодермальный барьер мм 1

|Орган - механизм ионной коррекции ксилемного экссу- 1 но (кс)|

|и орга- дата

| низм - декремент Иа в процессе ксилемного транспорта! "" I

- замедление ксилемного потока ВР |

1 Примечание. То же, что к табл. 7. 1 1

Разумеется, обе сводки данных (табл. 7 и 8) не претендуют на исчерпывающий характёр, кроме того, сам подход несколько условен. Тем не менее, он может быть вполне конструктивным, поскольку сама быстрота наложения солевого стресса является одним из его повреждающих факторов, а всякое замедление или временное ослабление воздействия представляет собой, по существу, дополнительную возмож-, ность для выживания растений в этих экстремальных условиях. Структурная и временная организация процессов водно-солевого обмена рас-

тений является, по-видимому, одной из'составляющих самого солевого стресса. Поэтому важное значение имеет последовательность основных событий в'ходе засоления, то есть хронология солевого стресса, представленная схематично в таблице 9.

Таблица 9.

Хронология основных процессов водно-солевого обмена растений при солевом стрессе. ■ - •

-г

|Время от | начала |стресса

Внешняя среда

Корен

I Надземные органы

Клетка | Ткань

1 1 I г

Ксилема!Клетка (Ткань (Ксилема

¡Первые |секунды

+Лпг +Аае

Начало |Внешний обезво- |шунт живания I

[Первые минуты

Обезвоживание. Остановка роста. Плазмолиз.

10-30 минут

Радиальный транспорт Ма+ и С1~. Плазмолиз. Возобновление роста.

Потеря тургора Остановка или замедление роста.

1 час

|АпоплаЬт |ный шунт

Деплазмолиз. Увеличение проницаемости для воды и ионов.

Иа+ достиг сосудов ксилемы.

Частичное восстановление тургора, возобновление роста, но со сниженной скоростью.

Общее водопотребление снижается в 3-10 раз.

часов

Симпласт | ный шунт|

I Ионная |коррек-

-1-|ция экс-

Нарушение барьер-|судата, ной функции кле- |декре-

1 1 1 ' 1 1' 1 |Ионы С1~ идут без декремента, хотя не быстро,т.к.| ¡скорость транспирационного потока снижена. |

1 . 1 1 Далее | 1 .. III 1 .»1 1 г и | ИИ | .... | .... , | 1 ' ' 1 1

1 ! 1 1 1 1 | | |Na+ не поступает в верхушку побега, она может не | ¡прекращать рост и перейти к репродуктивной фазе | 1 1 1 Iii 1

Эта примерная схема ближе всего соответствует взрослым растениям подсолнечника, подвергнутым солевому стрессу 1-1,5% N301. При больших экспозициях (5-15 суток) в экспериментах,разумеется, могли проявиться и элементы адаптационного процесса. Однако однозначно идентифицировать их оказалось невозможным из-за отсутствия четких критериев. С значительно большей уверенностью можно говорить о репарации. Так, имело место частичное восстановление тургора корней и надземных органов, возобновление роста органов, хотя со сниженной скоростью. Потеря воды корнем через некоторое время сменялась на обратный процесс,но общее водопотребление оставалось сниженным. Гидравлическое сопротивление корней при сильном солевом стрессе резко снижалось, но уже через час частично восстанавливалось. Во

многих. случаях,, однако, наблюдаемая репарация структур и функций была неполной или. только кажущейся, тем не менее ее положительная роль в переживании растениями солевого стресса весьма вероятна.

п. заключение.

Изложены результаты системных исследований водно-солевого об-' мена растений при солевом стрессе. Выявлены разнообразные повреждения клеток и тканей, в первую очередь, корня, обусловленные высокой концентрацией ионов Na+ и С1~ в среде. Показано многофакторное действие солевого стресса, в частности, осмотическое, электрохимическое и специфическое воздействие самих засоляющих ионов. В то же время, удалось обнаружить некоторые репарационные процессы, а также ряд первичных механизмов солерезистентности, которые замедляют и ослабляют дальнейшее протекание солевого стресса, хотя и не останавливают его. Исследована кинетика некоторых процессов водно-солевого обмена, в том числе быстрая кинетика водообмена и роста органов (при помощи низкоинерционных методов), в результате чего составлена примерная хронология солевого стресса. Рассмотрена специфика осмотических реакций в растительных клетках и тканях, обусловленная' их структурными особенностями. Получила экспериментальное подтверждение гипотеза о шунтировании солями существующих в норме РЭП растений и об отрицательном влиянии шунтирования на мзнедеятельность. Сформулирована гипотеза, о прогностическом характере так называемой экспресс-диагностики солеустойчивости.

Исследования на разных уровнях организации - клеточном, тканевом, органном и организменном - были направлены, однако, на понимание процессов, происходящих при солевом стрессе в целом интакт-юм растении, поскольку и само свойство солеустойчивости правомерно рассматривать только на уровне целого организма.. Приоритет об-цеорганизменного уровня, справедливый для большинства физиологи-шских исследований, в проблеме солеустойчивости является, на наш ¡згляд, принципиально важным (Гунар и др., 1970; Курсанов, 1982; )rton, 1980; Smith et'al., 1981). Если у галофитов возможно функционирование специальных механизмов солеустойчивости на молекуляр-гом, или клеточном, или организменном уровне (что соответствует ¡оленакаплйвающему, солелокализующему или соленепроницаемому типам ■алофитизма), то у гликофитов, не имеющих таких высокоспециализи-гаванных механизмов, уровень солеустойчивости определяется, главам образом, координацией и регулированием процессов, идущих на ;сех уровнях организации, то есть общеорганкзменним уровнем. Опи-

- э> > -

санные в работе механизмы солерезистентности растений обычно не обеспечивают выживание гликофитов при солевом стрессе и не адзкват ны.механизмам солеустойчивости галофитов. В то же время возможно такое направленное воздействие на жизнедеятельность интактного целого растения, в первую очередь воздействие на его водно-солевой обмен, которое способствует возрастанию урозня его физиологической солеустойчивости.

В работе рассмотрены прямые экспериментальные доказательства физиологической адаптации к солевому стрессу, приводящей к возрастанию солеустойчивости гликофитов в длительных экспериментах.Осуществленные несколькими способами, такие экспериментальные модели повышения солеустойчивости, на наш взгляд, убедительно свидетельствуют о приоритете организменного уровня, о роли физиологической адаптации и процессов водно-солевого обмена в солеустойчивости гликофитов. Изучение физиологической адаптации растений конкретно к солевому стрессу, пс-видимому,невозможно без знания реальных условий, в которых эти процессы протекают в растении, в том числе; без тщательной детализации водно-солевого обмена растений.

выводы.

Проведены системные исследования водно-солевого обмена растений при солевом стрессе. В качестве основной модели рассматривается хлоридное засоление (то есть действие одной соли - ИаС1) . при внезапном, скачкообразном наложении солевого стресса. Процессы еодно-солевого обмена и некоторые сопряженные с ними явления (рост, электрофизиологическая активность) исследовали на разных уровнях организации, от клеточного до организменного.

1. Исследования показали, что солевой стресс является сильным, длительным, мнсгофакторным воздействием на растение. Системный подход позволяет выделить 3 первичных фактора в действии внезапного солевого стресса на водно- солевой обмен растений: +Дц -химический (концентрационный) градиент для засоляющих ионов Иа+ и С1~; +Дя - повышение осмотического давления; +Дае - возрастание удельной электропроводности среды. При наложении солевого стресса все 3 фактора вступают в действие одновременно и практически мгновенно. Действие их сохраняется во все время солевого стресса, вызывая цепь последовательных изменений в водно-солевом обмене растений, а также в других физиологических процессах.

• 1.1. Фактор +Дм- воздействует непосредственно на солевой обмен растений, изменяя химическую составляющую ЗХГ. Он вызывает ано-■ мально высокие потоки ионов Ма+ и 01"," направленные внутрь тканей и клеток растения. В свою очередь, это обусловливает повреждения многих ион-транспортных систем, из которых слагается минеральное питание растений в норме. Возникает дисбаланс ионного состава кле-' ток и тканей растения.•

1.1.1. - - На. уровне клеток методом тестирования клеточных - мембран по выходу электролитов было показано,что мембраны препятствуют избытку натрия в клетках, но лишь до некоторых пороговых значений концентраций и экспозиций. Эти пороги очень'низки для гликофитов, солеустойчивость которых обычно ограничивается слабым или очень слабым уровнем засоления. Более высокие концентрации соли повреждают клеточные мембраны, снижают их селективность и увеличивают проницаемость, вплоть до полной потери ими барьерной функции.

1.1.2.- На уровне ткани было выявлено накопление засоляющих ионов в апопласте и симпласте, увеличение объема апопласта корней в 1,5 - 2,5 раза при слабом и в 4-7 раз при сильном солевом стрессе, а также многократное возрастание пассивной проницаемости ткани для воды и ионов. В целом, на уровне клеток и тканей не обнаружены эффективные механизмы, способные остановить распространение засо-ляюшлх ионов по растению и вглубь клеток, хотя замедление этого процесса имеет место. Сильный солевой стресс приводит к пассивиза-ции ион-транспортных процессов на уровне клеток и тканей, которая обусловлена повреждением мембран, усилением апопластного и одновременным снижением симпластного транспортов ионов.

1.1.3." На уровне органов и целого растения исследовали систему ксилемного транспорта, в которой были, обнаружены и детально изучены эффективные механизмы коррекции ионного состава ксилемного экссудата и декремента натрия. Было показано, что эти механизмы работоспособны при концентрациях до 0,5 КОаС1 в течение, по крайней мере, 12-15 суток. Исследованы физиологическая природа и некоторые характеристики механизмов, в частности показано, что функционирование их в корне ограничено гораздо более коротким временем (сутки),чем в осевых надземных органах, в обоих случаях они неэффективны в отношении С1~.

1.2.1. Фактор +Дл способствует обезвоживанию растений, начинающемуся для корневой системы практически мгновенно, а для надземных органов с лаг-периодом в 20-40.минут.'Исследования быстрой кинетики водообмена корня.при солевом стрессе показали, что она

мало инерционна, хорошо обратима, низко селективна, то есть обусловлена , в основном, осмотическими причинами. Близкие характеристики имеет биотр.чя кинетика роста корня при солевом стрессе, что, в свою очередь, свидетельствует о сильной-осмотической зависимости' этого процесса. Дли надземных органов скорость ростовой реакции на солевой стресс, а также ее быстродействие были значительно.ниже. ■

1.2.2, На уровнях клеток, тканей и органов наблюдали тесную связь между транспортом воды и ионов, имеющую, по-видимому, осмотическую природу. Сформулирована и экспериментально обоснована гипотеза об осмозависимости клеточной и тканевой структуры растений.-Показано, что осмотическая реакция растительной ткани .обладает специфическими особенностями, в частности, в ходе ее возможно проявление некоторых механизмов солерезистентности. Исследование этих вопросов позволяет заключить, что осмотические явления, несомненно, играют большую и даже ведущую роль при солевом стрессе.

1.3. Фактор +Аж, то есть возрастание удельной электропровод-, ности вначале среды, а затем тканей и клеток растения (соответственно, внешний, апопластный и симпластный шунты), воздействует на солевой обмен через изменение электрической составляющей ЭХГ, а на водный обмен, вероятно, через электрокинетические явления, осмос и т.д. Сформулирована и экспериментально подтверждена концепция о шунтировании электрических потенциалов на разных уровнях организации в растении. Отрицательное действие шунтирования на растение проявляется, прежде всего, через нарушения регуляции процессов водно-солевого обмена.

• 2.-Классификация изменений, вызываемых в водносолевом обмене солевым стрессом, по принципу ускорения или замедления дальнейшего развития процесса, позволила выделить разнообразные повреждающие фачторы, а также первичные механизмы солерезистентности и, в некоторых случаях, репарационные процессы.

3. Исследование временных характеристик многих процессов (в. том числе быстрой кинетики) позволило составить примерную хронологию солевого стресса, характеризующую последовательность основных событий водно-солевого обмена растений при этих экстремальных условиях в интервалах времени от долей минут до 10-15 суток.

4. В работе описаны экспериментальные модели, дающие возможность повышения физиологической солеустойчивости гликофитов, что является прямым экспериментальным доказательством роли адаптации, а также процессов водно-солевого обмена в солеустойчивости.

5. Высказывается и обосновывается гипотеза о прогностичес-

ком характере, так называемой, экспресс-диагностики солеустойчи-вости растений, В отличие от диагностики, прогнозирование имеет только вероятностный характер. Понимание этого принципиального положения способно в корне изменить подход к проблеме в целом.

6. В ходе работы описано около 20 новых исследовательских методов, в том числе неповреждающих и высокочувствительных. Некоторые из них могут быть использованы или уже использованы в экспресс-тестировании солеустойчивости.

список работ, опубликованных по материалам диссертации.

1. Вахмистров Д.В., Захарин A.A. О месте рецептора в системе саморегуляции накопления калия растениями подсолнечника в связи с гипотезой о клеточных переносчиках// Физиология растений,- 1968.Т. 15,- Вып. 4.- С. 589-596.

2. Захарин A.A. Электрохимическая модель избирательного распределения ионов в, растении// Известия ТСХА.- 1968.- Вып. 6,- С. 22-42.

3. Гунар И.И., Кудасова В.Л., Захарин A.A. Плазмолиз и проницаемость растительной ткани// Известия ТСХА.- 1969.- Вып. 1,- С. 3-18.

4. Захарин A.A. Об электрохемокинетических явлениях в биологических процессах//.Известия ТСХА.- 1969.- Вып. 3.- С. 3-19.

5. Захарин A.A. О возможной роли сосудистой системы и "кажущегося свободного пространства" в процессах минерального обмена растений//.Известия ТСХА.- 1969,- Вып. 5.- С. 11-24.

6. Захарин A.A. О вероятности'электрохемокинетических явлений в растении// Механизмы поглощения веществ растительной меткой. Сб. научн. тр./ Иркутск,- 1971,- С. 97-103.

7. Захарин A.A. Некоторые аспекты электрофизиологического изучения солевого обмена растений// Вопросы солеустойчивости растений. Сб. научн. тр./ Ташкент,- 1973.- С. 90-99.

8. Захарин A.A. Фракционный анализ минерального состава корней гороха на основе электрохемокинетического метода// Физиология растений.- 1974.- Т. 21.- Вып. 3,- С. 563-572.

9. Захарин A.A., Строгонов Б.П. Влияние высоких концентраций NaCl на фракционный минеральный состав корней гороха//*Физиология

- 40 -

растений,- 1974,- Т. 21,- Вып. 5.- с! 980-987.

10. Захарин A.A. Влияние хлористого натрия на прочность связи, минеральных элементов в корнях растений// Физиология и биохимия солеустойчивости растений/ Алма-Ата,- 1974.- С. 87.

11. Захарин A.A. 0 многофакторном действии солей// Тезисы докладов XII Международного ботанического конгресса.- Л.: Наука, 1975,- Т. 2.- С. 481.

12. Захарин A.A. 0 шунтирующем факторе как одной из возможных причин угнетения растений при засолении среды// Физиология растений.- 1976.- Т. 23,- Вып. 3.- С. 558-566.

13. Захарин A.A. К доказательству шунтирующего действия засоления среды на растения// Физиология растений,- 1977.- Т. 24.-Вып. 2.- С. 335-342.

14. Захарин A.A. Некоторые электрофизиологические характеристики растений в условиях засоления среды// Молекулярная и прикладная биофизика сельскохозяйственных растений. Сб. научн. тр./ Кишинев.- 1977,- С. 96-97.

15. Захарин A.A. 0 функциональной роли электролитов в расте- ' нии// Ионный транспорт в растении. ■. Сб. научн. тр./ Киев.- 1979.-С. 187-192. • ' ;

16. Захарин A.A. О прочности связи некоторых минеральных ионов в растении// Ионный транспорт в растении. Сб. научн. тр./ Киев.- 1979,- С. 236-243. . .

17. Захарин A.A. О некоторых особенностях солевого обмена гликофитов при засолении среды// Агрохимия.- 1980.- N в.- С. 139-148. - - .-."..18. Захарин A.A. Повышение солеустойчивости растений методом

импульсного засоления среды// Проблемы и пути повышения солеустойчивости растении. Л. .- 1981,- Ч. 2,- С. 232-233.

19. Захарин A.A., Петрова Р.К., Строганов Б.П.-Солеустойчи-вость растений и ее связь с режимом перехода от пресной среды к засоленной// Физиология растений.- 1982.- Т. 29.- Вып. 3.- С. 428436.

20. Захарин A.A., Наумова Т.Г. Обратимая потеря воды-корнем при водном и солевом стрессе// Тезисы докладов VU1 Всесоюзного симпозиума по водному режиму растений,- Ташкент.- 1984.- С. 29 .

21. Захарин A.A., Наумова Т.Г. К методике количественной оценки латерального транспорта ионов в стебле// Физиология растений.-1985.- Т. 32,- Вып.- 2,- С. 401-409. ' ' '

22. Захарин A.A.. Наумова Т.Г. О масштабах и .Функциональной

роли латерального транспорта ионов в стебле// Физиология растений.- 1985.- Т. 32,- Вып. 6,- С. 1090-1098.

23. ЗахаринА.А., Назаренко Л.В., Калинкина Л.Г., Наумова Т.Г. Изменение проницаемости клеточных мембран под влиянием температурного и солевого повреждения// Проблемы современной биологии. Сб. научн. - тр.- МГУ,- М.: 1986.- Ч.1.- С. IÖ1-185.- Деп.в ВШТГИ.

24. Наумова Т.Г., Захарин A.A. Феномен и механизм декремента Na+ при ксилемном транспорте в условиях NaCl-cTpecca// Физиологические и биохимические основы солеустойчивости растений/ Ташкент.-1986.- С.'71.

25. Захарин A.A. Водно-солевой обмен гликофитов при засолении среды// Физиологические и биохимические основы солеустойчивости растений/ Ташкент.- 1986.- С. 69.

26. Захарин A.A. Ростовая реакция корня и стебля на солевой стресс// Физиологические и биохимические основы солеустойчивости растений/ Ташкент.- 1986.- С. 103.

27. ЗахаринА.А., Вольф О.М., Паничкин Л.А. Электропроводность тканей корня при стрессовых воздействиях// Электрофизиологические методы в изучении физиологического состояния растений. Сб. научн. тр./ ТСХА,- М,- 1988,- С. 90-99.

28. Захарин A.A. Особенности водно-солевого обмена растений при солевом стрессе// Агрохимия,- 1990.- N 8,- С. 69-79.

29. Захарин A.A. Изменение электропроводности, корней проростков овощных культур в условиях солевого стресса// Отчет о НИР. Рукопись депонирована во ВНТИЦ, инв. N 02.90.0. 015787.- 1990.- С. 26-53.

30. Захарин A.A. Механизмы солеустойчивости растений// П съезд Всесоюзного общества физиологов растений. Тезисы докладов/ М.: 1990.- С. 51.

31. Спекторов К.С., Захарин A.A. Количественный метод определения осмо- и хемотаксической реакции подвижных микроводорослей// Физиология растений,- 1991.- Т. 38,- Вып. 1.- С. 184-189.

32. ЗахаринА.А., Вольф О.М., Паничкин Л.А. Электропроводность корня и солевой стресс// Ионный транспорт и усвоение элементов минерального питания растений/ Киев.- 1991,- С. 51-56.

33. Захарин A.A., Летуновская О.В. Повреждение клеточных мембран у проростков огурца под влиянием температурного и солевого стрессов// Ионный транспорт и усвоение элементов минерального пи-талия растений/ Киев,- 1991,- С. 131-136.

34. Захарин A.A. Особенности водного обмена растений при со-

лесом стрессе// Ионный транспорт и усвоение элементов минерального питания растений/ Киев.- 1991,- С. 170-178.

35. Zakharin A.A.- On some .problems of salt tolerance express-diagnostics// International.symposium on physiology, biochemistry and genetics of plant salt resistance.- Tashkent: 1992,- P. 37.

36. Захарин A.A., Паничкин Л.А., Жадова O.C. Кинетика выхода электролитов из прорастающих семян гороха различных сортов// Известия ТСХА. - 1992.- Вып. 1.- С. 182-185.

37. Захарин A.A., Паничкин Л.А. Физиологические основы ранней диагностики устойчивости растений// Второй съезд Всероссийского общества физиологов растений.- Тезисы докладов.- Москва,- 1992.Ч. 2.- С. 78.

38. Захарин A.A. Декремент натрия в сосудах ксилемы корня и стебля// Третий съезд Всероссийского общества физиологов растений. - Тезисы докладов/ С.-Петербург: 1993.- Ч. 6.- С. 573.

39. Захарин A.A. Скрытые потенции растений// Третий съезд Всероссийского общества физиологов растений,- Тезисы докладов/ С.Петербург: 1993.- Ч. 6.- С. 574.

40. Захарин A.A. Метод регистрации быстрой кинетики роста корней и надземных органов проростков// Физиология растений. -1993.- Т. 40.- N 6,- С. 940-946.

41. Захарин A.A. Быстрая кинетика роста растений при солевом стрессе// Физиология растений.- 1994.- Т. 41,- N 1,- С. .101-106,

42. Захарин A.A., Паничкин Л.А., Жадова О.С. Изменение неко-: торых физиологических свойств семян гороха под влиянием влажност-но-температурного стресса// Известия ТСХА.- В печати.

43. Захарин A.A. Метод исследования быстрой кинетики водообмена растений при солевом стрессе// Физиология растений.-В печати.

44. Спекторов К.С., Захарин A.A. Способ определения оптимального состава среды для культивирования подвижных микроводорослей// Авторское свидетельство N 1451162 кл. С 12 N 1/12, А 01 6,33/00 от 17.04.1987. ' '

45. Захарин A.A., Паничкин Л.А., Бибикова Т.Н. Способ различения генетически близких образцов растений// Авторское свидетельство N 1757527 AI кл. А Ol Q 7/00 от 1.05.1992.

46. Захарин A.A., Паничкин Л.А., Вольф О.М. Способ ранней диагностики солеустойчивости растений// Авторское свидетельство N 1764568 AI кл. А Ol G 7/00 ОТ 1.06.1992. . .

- ~

б (i. ионов), мэкв/л

■о.з

Контроль

Рис. I. Участок термоионо-грамми Chlorella pyr'üiol-dosn при различном содержании MaGI в среде' /23/.

Рис. 2. Коэффициенты распределения катионов в системе клетка-среда ( сщ^гвИа ругепо1<Зоаа ) /23/.

0,01 0,1 0,4 I 258 #аС1

Среде

Контроль

1% #аС1

100 500.

100500

Растение

Р0„

'Ca' К* .

»at

Рис. 3. Изменения минерального состава корней горох« при солевом стрессе /9/.

А - впопласт Си - симпласт 8к - вакуоль

В горизонтальном масштабе изображены объемы соответствующих структур ткани.

100%

мэкв/л

-0,2

Рис. 4. Увеличение диффузии К* (0,1 М) через пластину из клубня картофеля под влиянием плазмолити-ческой концентрации (0,5 М) МаС1 /3/.

2 t , час з

СМа+ на выходе, мМ

Исходная С,

' "»я*

■ "Корень

Рис. 5. Сравнительная кинетика перфузии растворов #аС1 (50 мМ) через стебель и корневую систему подсолнечника /24, 38/.

час

Рис. 6. Принципиальная схема гравиметрического метода /43/.

Об - объект; Ш - измеритель-» ное коромысло со светоперекры-аающей шторкой; +дМ - платформа для уравновешивания коромысла; Пэ К - подающий капилляр; МН - микронасос; II - пробопри-емник; ЭО - электроосветитель; ¿3 - фотоэлемент; СП - самопишущий микроамлерметр.

-юо •

-200 .

мин

Рис. 7. Быстрая кинетика водообмена корней проростков подсолнечника в ответ на наложение (\»аС1) и снятие ( о ) солевого стресса /43/.

Рис. 8. Изменения длины корня проростка гороха при наложении и снятии солевого стресса /40/.

За 0 ординаты принята длина органа в момент воздействия. Часть кривой до воздействия характеризует исходный рост органа.

£ , гум

1 , мкм

Рис. 9. Ростовая реакция листка проростка кукурузы на солевой стресс /40/.

См. пояснения к рис.8.

Ь , час

Рис. 10. Принципиальная схема локализации солевых шунтов в корне растения /12/.

Н^ - внешний шунт Б2 - апопластный - симпластный

Сосуд ксилемы

1-см-1

о,го;ь

мл/час

,Ь% №аС1

Рис. II. Шунтирование РЗП, (сплошные линии) между стеблем и корнем подсолнечника при возрастании электропроводности стебля (^.пунктир) в связи с концентрацией #аС1 в среде /28/.

Расстояние между электродами 10 (•) и 30 (*) см.

Рис. 12. Скорость поглощения воды (СП) 15-дневными растениями бобов в экспериментах с ИЗС /19/.

а-б - период ИЗС

1 - контроль

2 - 4 - 0,5; 0,?; 1% ИаСГИЗС 5 - 7 - аналогичные варианты внезапного засоления.

О I

16 22 30 Ь . сутки

Информация о работе

Захарин, Александр Андреевич
доктора биологических наук
Москва, 1994
ВАК 03.00.12

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Водно-солевой обмен растений при солевом стрессе ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Водно-солевой обмен растений при солевом стрессе"

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Водно-солевой обмен растений при солевом стрессе
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений