Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЗАИМОСВЯЗЬ ГОРМОНАЛЬНОГО И ТРОФИЧЕСКОГО ФАКТОРА РЕГУЛЯЦИИ В ОНТОГЕНЕЗЕ ПШЕНИЦЫ (НА ПРИМЕРЕ ЦИТОКИНИНОВ И КАЛИЯ)

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ВЗАИМОСВЯЗЬ ГОРМОНАЛЬНОГО И ТРОФИЧЕСКОГО ФАКТОРА РЕГУЛЯЦИИ В ОНТОГЕНЕЗЕ ПШЕНИЦЫ (НА ПРИМЕРЕ ЦИТОКИНИНОВ И КАЛИЯ)"



На правах рукописи

КОРКИНА Татьяна Александровна

ВЗАИМОСВЯЗЬ ГОРМОНАЛЬНОГО И ТРОФИЧЕСКОГО ФАКТОРА РЕГУЛЯЦИИ

В ОНТОГЕНЕЗЕ ПШЕНИЦЫ (НА ПРИМЕРЕ ЦИТОКИНИНОВ И КАЛИЯ)

Специальность 03.00.12 — Физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва — 2001

Работа выполнена на кафедре биочогии и жочиии организмов Московского педагогического университета

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Н.И. Якушкина

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор М.Н. Кондратьев,

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Л.В Рун ков л

Ведущее учреждение: Институт физио югии растений.

Защита состоится 5 ноября 2001 года в часов на заседании

диссертационного совета Д 220 043 08 в Московской се 1ьскохозяйственной академии имени К Л Тимирязева (127550, Москва, Тимирязевская улица, д 49)

С диссертацией можно ознакомиться в Ь пеке ЦНБ МСХА

Автореферат разослан £> октября 2001 года

Ученый секретарь

диссертационного совета . у

кандидат био югинсских начк ' . —■ Н П. Карсункина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Целостность растительного организма обеспечивается функционированием различных систем регуляции, в том числе гормональной и трофической (Сабинин, 1940; Курсанов, 1985). Принято выделять два основных типа взаимодействия фитогормонов и питательных веществ: с органическими веществами и с элементами минерального питания. В последнее время на трансгенных растениях продемонстрирована роль сахарозы в гормональной регуляции клубнеобразования (Аксенова и др., 2000). Вместе с тем, в ряде работ показано, что снабжение растений элементами минерального питания, в основном азотом, оказывает влияние на гормональный баланс растений (Казарян и др., 1989; Кудоярова и др., 1989; Иванов и др., 1993; Климачев, Якушкина, 1999). Имеются данные, что фитогормоны стимулируют поступление элементов минерального питания (Максимов, Медведев, 1984; Karmoker, 1985; Ионенко, Зялалов, 1997). Однако в основном исследования проводились на проростках растений и на изолированных органах. В большинстве случаев о физиологическом действии гормонов судили по изменению физиологических процессов под влиянием экзогенного внесения гормонов, при этом, не всегда учитывая изменение эндогенного уровня фитогормонов. Имеются лишь единичные данные, касающееся совместного влияния гормонов и элементов минерального питания на содержание пигментов и темпы роста (Цибуля и др., 1980; Le Rabie et al., 1983; Микулович, Кукина, 1985). Анализ литературных данных не позволяет судить о характере изменения в онтогенезе растений гормонального баланса и интенсивности' физиологических процессов под влиянием раздельного и совместного действия фитогормонов и элементов минерального питания. Остается не решенным вопрос о зависимости эффективности действия фитогормонов от условий питания. Не менее важным является выяснение возможности влияния гормонов на использование элементов минерального питания.

В наших исследованиях мы остановились на изучении взаимодействия цитокининов и калия. При этом учитывалось, что калий в основном выполняет регуляторную роль. В ряде случаев этот элемент активирует процессы регулируемые цитокининами (Bottril et al., 1970; Wyn Jones, 1979; Marschner, 1986). Как известно физиологическое действие фитогормонов включает процесс рецепции, транедукции гормонального сигнала с участием вторичных посредников и последующую цепь физиолого-биохимнческих изменений. Возникает вопрос, ограничивается ли влияние калия изменениями в содержании фитогормонов, и/или этот элемент является непосредственным участником гормонального ответа.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение специфики ф1у,гчтпгич??Гг''"" ^"'""""""чя пито^инина и калия при их

ЦЕНТРАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА Моск. сельс^эз а.чадамии

раздельном и совместном применении, а также определение характера взаимодействия двух исследуемых регуляторов

В соответствии с поставленной целью решались следующие экспериментальные задачи

1 Провести сравнительное изучение влияния штжининов и калия при их раздельном и совместном применении на гормональный баланс корневой системы, побегов, колосьев пшеницы на протяжении онтогенеза

2 Определить изменения в содержании калия в органах пшеницы в онтогенезе в зависимости от уровня снабжения этим элементом и обработки кинетином

3 Изучить особенности влияния цитокининов и калия при их совместном и раздельном применении на фотосинтетическую активность (содержание хлорофилла, хлорофилловый индекс, интенсивность, чистую продуктивность фотосинтеза)

4 Изучить особенности действия цитокининов и калия при их совместном и раздельном применении на процесс дыхания интенсивность, энергетическую эффективность, функциональные составляющие дыхания (дыхание роста и дыхание подержания) Определить зависимость физиологического действия цитокининов от показателей дыхательного обмена

5 Уточнить особенности взаимодействия цитокининов и калия, используя метод биотестирования

6 Сопоставить рост, анатомо-физиологические особенности и продуктивность растений пшеницы с гормональным балансом, модифицированным при разде тьном и совместном использовании цитокининов и калия Определить возможности увеличения эффективности использования цитокининов для повышения продуктивности пшеницы

Научная новизна. Исследования показали, что гормональный баланс органов пшеницы на всем протяжении онтогенеза под действием, как калия, так и кинетина претерпевает значительные изменения Установлено, что калийдефицитные растения отличаются сниженным содержанием зеатина, ИУК, повышенным уровнем АБК Внесение кинетина и калия увеличивает содержание цитокининов и ауксинов во всех органах пшеницы Отношение 3+ИУК/АБК возрастает Обработка кинетином повышает содержание калия во всех органах пшеницы и частично компенсирует недостаток этого пемента \ калийдефицитных растений на всем протяжении онтогенеза Растения, выращенные при совместном применении кинетина и калия, отличаются наибольшим содержанием калия и ростстиму пирующих гормонов Модификация гормонального баланса под деич/гвием изучаемых регуляторов сопровождается соответствующими изменениями темпов роста и ¡ернонон продуктивности пшеницы Наибольшие приросты сухой массы и наивысшая

зерновая продуктивность пшеницы отмечаются на фоне максимального отношения 3+ИУК/АБК. Действие калия на физиологические процессы частично опосредованно изменением гормонального баланса, а влияние кинетина - повышением содержания калия. Взаимовлияние между кинетином и калием проявляется и через изменение фотосинтетической активности и дыхательного обмена. Впервые показано, что при одновременном использовании действие кинетина и калия на интенсивность фотосинтеза и дыхания суммируется. Прирост в этом случае стремится к сумме приростов действия каждого из регуляторов в отдельности (аддитивный" характер взаимодействия). При анализе содержания хлорофилла каждый из изучаемых нами регуляторов значительно усиливает действие другого, т.е. в этом случае в их взаимодействии проявляется синергизм. С помощью метода биотестирования выявлена зависимость действия цитокининов от показателей энергетического обмена, в частности окислительного фосфорилирования.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования вносят определенный вклад в понимание роли гормонального баланса в регуляции ростовых процессов растений пшеницы. Обнаруженные особенности взаимодействия кинетина и калия создают основу для повышения эффективности использования синтетических аналогов цитокининов в практике растениеводства для повышения зерновой продуктивности пшеницы. Отмеченные особенности гормонального статуса пшеницы разных сортов, при дальнейшем уточнении дают возможность использовать анализ гормонов в качестве теста в селекционной работе.

Полученные в работе данные могут быть использованы в курсе преподавания физиологии растений.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 5 и 6 Международных конференциях «Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 1999, 2001), 4-ом съезде общества физиологов растений «Физиология растений - наука III тысячелетия» (Москва, 1999), Всероссийской молодежной научной.- конференции «Растение и почва» (Санкт-Петербург, 1999), межвузовской конференции молодых ученых «Растение микроорганизмы и среда» (Санкт-Петербург, 2000), VII молодежной конференции ботаников (Санкт-Петербург, 2000), III конференции «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии» (Уфа, 2000), Международной научно-методической конференции «Продукционный процесс сельскохозяйственных культур» (Орел, 2001).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объём диссертации. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста. Содержит 53 таблицы, 17 рисунков и состоит из введения, обзора литературы (2 главы), экспериментальной части (4 главы), заключения, выводов и приложения. Список использованной литературы включает 540 наименований, из них 184 на иностранном языке.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили в условиях лабораторных (водные кульг^ры) вегетационных (песчаные культуры), иочевых опытов на яровой мягкой пшенице ( Ггшсит аеБСитт L) сортов сибирской селекции Терция и Новосибирская 89 По данным сортоиспытания сорт Терция по засухоустойчивости превосходит сорт Новосибирская 89 на 2 балла

В вегетационных опытах варьировали уровень калийного питания (260 и 52 мг/кг песка) Питатечьные элементы вносичи с поливными водами в фазе двух листьев в виде растворов солей Са(КОз):, КН2РО4, КС1, \'аН2РО<1, МаС1, К^БО! В вегетационных ссудах, вмещающих 5 кг песка, выращивали по 10 растений пшеницы сорта Терция Схема опыта 1 ЫР'/5К; 2 ЫР'/^+Ш, 3 ЫРК, 4 МРК+АН

Почевые иссчедования проводились на базе отдела сечекции Курганского НИИ зернового хозяйства Учетная площадь дечянки 10 м' Схема опыта 1 сорт Новосибирская 89, 2 Новосибирская 89, обработка кинетином, 3 Терция, 4 сорт Терция, обработка кинетином

В лабораторных опытах опрыскивание кинетином (6-фурфуриламинопурином) в конц 9,3 х 10 М проводилось на третий день после высаживания на питатечьные растворы (питательная смесь Кнопа) В вегетационных и полевых опытах обработку кинетином проводили дважды в фазы трех листьев и выхода в трубку Контрольные растения опрыскивались водой

На протяжении онтогенеза опредечяли интенсивность ростовых процессов (массу органов растений), количество свободных цитокининов (зеатина), ауксинов (ИУК) абсцизовой кисчоты методом ИФА (Кудоярова и др, 1990), содержание пигментов (Гавриченко и др, 1975), хлорофилловый индекс (Тарчевский, Андрианова, 1981), ЧПФ (Ничигюрович, 1961) Содержание калия анализировали методом пчаменной фотометрии (Ермаков и др, 1987), интенсивность дыхания и фотосинтеза манометрическим методом в аппарате Варбурга( Умбрейт, 1951, Семихатова, Чулановская, 1965)

Растительные образцы отбирали в основные фазы онтогенеза начиная с фазы выхода в трубку (15 дней после первой обработки), в 4-х кратной биологической и 3-х кратной аналитической повторности Анатомическую структуру флаговых чистьев и соломины пшеницы изучали посте прекращения их роста в фазу цветения с помощью микроскопа МБР-1 с использованием оку тяра-микрометра МОВ-1-15* Для анализа анатомического строения брали по 20 растений каждого варианта и делали по 10 срезов с каждого чиста и стебля

В габ типах приведены средние арифметические из всех повторностей и их среднеквадратичные ошибки При оценке раз шчий между вариантами

использовали критерий Стьюдента, считая достоверными различия при уровне доверительной вероятности 0,95 (Зайцев, 1990).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Влияние кинетина и калия при раздельном н совместном применении на гормональный баланс, содержание калия и темпы роста пшеницы в

онтогенезе

На фоне полной питательной смеси на протяжении онтогенеза изменение содержания росгстимулирующих гормонов (зеатина и ИУК) в побеге и корневой системе описывается одновершинной кривой (рис. 1 а, б). Повышение уровня зеатина в первой половине вегетации, может быть обусловленно увеличением объема корневой системы (Модестов, 1915; Красовская, 1947). Уменьшение содержания зеатина, ИУК и повышение уровня АБК во второй

100 1 и 4

кормовая еаепн!

••О—ИУК — -Л- - АБК .

и отчим ея»лвсгк испм«

еигвг**«!*

Рис. 1. Содержание фитогормоиов в органах пшеницы в онтогенезе (вариант ГЧРК).

половине вегетации связано с возрастными изменениями, переходом вегетативных органов к старению. Максимальное содержание зеатина в колосе (рис. 1 в) в конце фазы цветения (IX этап органогенеза) может быть

обустовлено возникновением новых морфофизиологичесхих структур эмбрионально-эндоспермальных тканей (Куперман, 1984)

Таблица 1. Содержание калия (% на сухую массу) в органах пшеницы _____(вариант КРК)

орган пшеницы

корневая система

побег

колос

выход в трубк>

0 35^0 01

0 60+0,02

фазы онтогенеза _ _

кочошение

0,092+0 03

2 93^0,03

0,3 5±0 01

цветение

0 85+0 02

3 13±0 09

0 73+0,02

__I

- -1

молочная ;

спетость

0,61+0,02

2 90+004 0 98±0 03 ~1

Повышение уровня АБК в колосе еще раз подтверждает роль этого гормона при переходе генеративных органов в состояние покоя

выход в трубку <гелои.енив

восковая спелость

колодеиие ГП1 -в

г

I 5 *

С £ О

молочная спелось васхэвая ■ ' >с' ь фазы онтогенеза

«

I &

Рис.2 Отношение 3+ИУК/АБК и приросты органов пшеницы на протяжении онтогенеза (вариант ^К) 1. -отношение З+ИУК/АБК, 2 приросты сухой массы (г/сут) органов пшеницы

На фоне изменения динамики фитогормонов в вегетативных органах в первой поювине вегетации до фазы копошения набпюдается накотение калия, во второй - снижение содержания этого ->чемснта (табт 1) Снижение содержания калия в вегетативных органах сопровождается повышением его

г

уровня в колосе при переходе от фазы цветения к фазе молочной спелости. В литературе отмечается атграгирующая роль колоса не только для ассимилятов, но и для минеральных веществ (Трейман, 1981; Киселева, 1998).

Важным показателем гормональной ситуации является соотношение фитогормонов (Уоринг, Филлипс, 1984; Дефлинг, 1985). Максимальному отношению 3+ИУК/АБК соответствуют наибольшие приросты сухой массы органов пшеницы (рис. 2). Однако параллельные изменения двух показателей еще не говорят об их взаимодействии (Сабинин, 1941). Для уточнения этого вопроса была сопоставлена модификация гормонального баланса под воздействием кинетика и калия с темпами роста органов растений пшеницы. Обработка кинетином и изменение дозы снабжения калием заметно отражается на гормональной ситуации. Повышение дозы питания калием увеличивает содержание зеатина и ИУК, снижает уровень АБК (табл. 2). Отношение 3+ИУК/АБК под влияние калия возрастает. На этом фоне повышаются приросты органов пшеницы (табл. 3). Обработка кинетином увеличивает содержание зеатина и ИУК, особенно у калийдефицитных растений (табл. 2). Последнее может быть связано с тем, что содержание калия под влиянием кинетина возрастает (рис. 3). Недостаток калия у калийдефицитных растений частично компенсируется, гормональный баланс нормализуется, темпы роста возрастают (рис. 3, табл. 3). Растения пшеницы варианта ЫРК+КН Таблица 2. Влияние кинетина и калия на гормональный баланс в зависимости

от дозы снабжения калием (фаза цветения)

орган пшеницы вариант содержание гормонов, НГ/ГсухоЯ кассы отношение 3+ИУК/АБК

зеатин ИУК АБК

корневая система МР'/5К 234,7+10,3 104,6+4,3 207,9+8,2 1,6

ЫР'/5К+КН 333,3±11,9 152,7+6,1 286,9+11,8 1,7

ИРК 289,8+13,5 151,6+4,3 177,7+6,2 2,5

№>К+КН 394,2+17,2 210,8+9,8 282,5+9,2 2,1

побег 220,8+9,8 171,7+6,4 307,9+13,7 1,3

№>75К+КН 375,4+14,9 310,8+12,2 424,9+16,4 1,6

1МРК 380,7*12,3 232,0±9,8 270,2+10,4 2,3

КРК+КН 413,5+11,4 355,8+12,4 284,9+11,5 2.8

колос ЫР'/5К 658,2+27,1 111,3+4.8 112,8+5,3 6,8

ЫР'/5К+КН 1151,9+40,4 166,9+7,1 146,7+3.8 9,0

ЫРК 854,7+3,2 166,1+7,3 101,4±4,1 9,5

№К+КН 1358,8+35,9 227,7+12,1 133,5+4,8 11,9

характеризуются максимальным содержанием калия (рис. 3) и отношением 3+ИУК/АБК (табл. 2, 3). Этому соответствуют наибольшие приросты сухой массы побега и колоса пшеницы (табл. 3). Таким образом, действие как цитокининов, так и калия на ростовые процессы, по крайней мере, частично опосредованно сходными изменениями в гормональной ситуации (отношения

З+ИУК/АБК) Однако этим взаимодействие кинетика и калия не ограничивается

Таблица 3. Отношение 3+1ГУК/АБК и приросты сухой массы надземных

вариант надземные органы пшеницы

побег котос

отношение З+ИУК/АБК прирост сухой массы г/сут отношение 3+ИУК/АБК прирост сухой массы г/сут

NP'AK. 1.3 0 015±0.0002 6.8 0 165+0 004

NP'/jK+K Н 1,6 0,021г0,0004 9.0 0,220±0 005

NPK 2.3 0 061±0 0006 9.5 0 224±0 007

NPK-KH 2.8 0 072±0 0008 11.9 0 248±0 006

¡1 ¡1

Рис. 3. Влияние кинетнна и калия на содержание калия в органах пшеницы на протяжении онтогенеза.

2. Влияние кинетнна и калия при раздельном и совместном применении на фотосинтез и дыхание 2.1. Влияние кинетнна и калия на процесс фотосинтеза

Влияние кинетина и калия на содержание хлорофилла исстедовалось как на изолированных листьях (биотестирование), так и на петых растениях На изолированных листьях показано, что кикетин и калий не только гормозчт разрушение хлорофилта (габт 4), но и усиливают его биосинтез (габл 5) Уве шчение содержания хлорофилл (хлорофипозый индекс) отмечается и на

целых растениях. При этом каждый их изучаемых регуляторов усиливает действие друг друга на этот показатель.

Таблица 4. Влияние кинетина и калия на торможение разрушения хлорофилла

вариант содержание хлоро( ЬИЛЛа, МГ/Гсыпой массы ингибирование эффекта, %

исходное содержание хлорофилла содержание хлорофилла через 6 дней

ЫР1/5К 0,396 ±0,015 0,165 ±0,005 58%

ИРК 0,407 ±0,018 0,273 ±0,008 33%

0,429 ±0,017 0,329 ±0,011 23%

ЫРК+Ш 0,483 ±0,020 0,437 ±0,014 10%

Таблица 5. Влияние кинетина и калия на образование хлорофилла

содержание хлорофилла вариант

вода (контроль) КС1 КН КС1+/Ш

МГ/Гдыр0ц массы 0,035±0,001 0,057±0,001 0,073±0,002 0,093±0,003

% 100 163 209 265

»4

1 I

I анрщк вкрчацкн шмркВИРК+КН ! —

Рис. 4. Влияние кинетина и калия па хлорофилловый индекс (иг Хл./растение).

При совместном действии кинетина и калия суммарный эффект оказывается значительно выше, чем влияние каждого из регуляторов в отдельности (рис. 4), т.е. взаимодействие между кинетином и калием в этом случае можно охарактеризовать как синергизм. Это не позволяет свести действие калия на хлорофилл только к увеличению содержания зеатина. Сопоставление результатов, полученных методами ИФА и биотестирования, показывает, что под влиянием калия активность зеатина возрастает в большей степени, чем его содержание. Можно полагать, что калий не только изменяет содержание гормонов, но и является необходимым участником гормонального ответа.

Таблица б Влияние кпнетипа и калия на интенсивность фотосинтеза (мкт 0:/[ ч) растении пшеницы (лабораторный опыт)

вариант интенсивность фотосинтеза, мкл О; г ч в возрасте

4 дня 6 дней 8 дней 1 12 дней

NP'/.K 314±12 408±16 470±20 I 538±24

NP'/sK-íf Я 440±19 550±24 620±28 1 698±26 1

NPK 418±18 548±24 590±22 1 632í25

NPK+КН 564*22 717±21 755*25 i 801J=32

Таблица 7. Влияние кинетина и калия яа чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ, г/мг сут.) пшеницы

вариант фазы онтогенеза

выход в котошение цветение i молочная

трубку 1 спетость

ЧР'/,К 9 7±0 3 12 ItO 4 3 4-tO 1 | 3 6i0 1

NF'/jK-i-A' 11,540,3 16,4 £0 6 5 2^0,2 1 4,9 ±0 1

Н i " 5,6t0 2

NPK 12 7-4) 4 17.3±0 5 6 3-fcO 2 I

NPK-Á7/ 14 9±0 5 18 7-tO 7 8Ü0 3 1 7 3±0 3

Как обработка кинетином, так и внесение калия повышают интенсивность и чистую продуктивность фотосинтеза (табл 6, 7) При совместном применении кинетина и калия их влияние на эти показатети суммируется, те в этом случае наблюдается аддитивный характер взаимодействия Это может свидететьствовать об относите тьной независимости физиологического действия изучаемых регуляторов на этот процесс Анализ титературы указывает на существенные различия в механизме действия цитокишшов и калия на фотосинтетическую активность клетки (Bottnl et al, 1970, Павар и др , 1983, Le Rabie, et al, 1983)

2.2. Влияние кинетина н калия на процесс дыхания

Внесение кинетина и калия повышают интенсивность дыхания органов пшеницы (табл 8) Как и в стучае интенсивности фотосинтеза, эффект от совместного действия кинетина и калия на интенсивность дыхания суммируется, те в их взаимодействии проявляется аддитивность Кинетин и калий действуют на различные стороны дыхательного обмена В присутствие ингибитора процесса гликотиза - NaF кинетин практически не оказывает втияния влияние на соотношение пикотитического и пентозофосфатного путей окистения пюкозы, тогда как калий повышает дотю гликотиза в дыхатетьном метаболизме чистьев пшеницы (габл 9 а) В присутствии

Таблица Я Влияние кинетина и кчлия на интенсивность дыхания (мкл Ог/г ч) вегетативных органов пшеницы (лабораторный опыт)

вариант корни побег l

4 дня 6 дней 9 дней 4 дня 6 дней 9 дней

NP'AK 327*14 228±10 132iS 392±17 340±14 285*10

np'ak+КН 44Ш8 296±13 Ш±7 572±24 476±18 393±12

NPK 468±!8 350±15 | 23feJJ 1 610*28 576±22 529±21

NPK>KH 1 599+20 438±18 ( 284±12 | S54=t35 783±35 688±29

циточромоксидазы - NaNj показано, что под втиянием кинетина увеличивается активность альтернативной оксидазы, а под действием калия возрастает активность цитохромоксидазы (табл 9 в) Изучаемые регучяторы изменяют структуру энергетических затрат (рис 5) Обработка кинетином и внесение калия способствует повышению доли затрат на биосинтетические процессы de novo (дыхание роста) и снижению доли затрат на поддержание биомассы (дыхание поддержания) При совместном применении изучаемых регу чяторов наблюдается наибольшие доля дыхания роста (рис 5) и приросты органов пшеницы (табл 3)

Важнейшим поставщиком энергии в метабошзче клетки является АТФ, образующейся в процессе окислительного фосфорилирования О сопряженности процессов окисления и фосфорилирования можно судить по повышению интенсивности дыхания под влиянием разобщитетя процессов окистения и фосфорилирования ДНФ (Семихатова, 1967, Жолкевич, 1968) В опытах с ДНФ показано, что интенсивность дыхания органов растений, как обработанных кинетином, так и выращенных на полной доге калия, резко возрастает (табл 10) Это свидете т ьствует о том, что под влиянием кинетина и калия повышается сопряженность процессов окисления и фосфоричирования При совместном применении изучаемых регуляторов наб подается наибольшая стимуляция интенсивности дыхания (габл 10), те максимальная сопряженность процессов окисления и фосфорилирования

Таблица 9. Влияние кинетина и калия на качество дыхания а) Влияние кинетина и калия на интенсивность дыхания (мгСОг/гч) при инфильтрации МаЬ*_____

Вариант Инфильтрация Дотя nimim ia, %

н2о 1 NaF

MP 0,S2±0 01 I 042*001 __ "Г о 63*0 02 20

NP+кЯ 0 7S±0 02 16

NPK 1 19±0 05 1 0 61i=0 01 ! 49

NPK>A# 1 0b j 0 67*0 02 46

в) Влияние калия и кинетина на интенсивность дыхания (мкл.02/г.ч) при инфильтрации №N3__

Вариант Инфильтрация Доля ингибирования дыхания, %

н2о ИаИз

№ : 272±10 203±9 25

ЫР+КЯ 428±17 363±15 15

ЫРК 349±15 133±5 62

КРК+К// 528±18 334±12 27

ЫРК+КН

■доля дыхания поддержания, % □ доля дыхания роста. %

вариант

Рис, 5. Влияние кинетина и калия на функциональные составляющие дыхания.

Таблица 10. Влияние кинетина н калия на интенсивность дыхания (мкл.Ог/г.ч) побегов пшеницы при инфильтрации 2,4-ДНФ

вариант инфильтрация доля стимуляции интенсивности дыхания, %

н2о 2,4-ДНФ

КР 322±14 396±16 - - 23

№+КН 460±19 654±25 42

1МРК 405±18 603±24 49

ЫРК+К// 524±22 817±35 56

В присутствии ДНФ тормозится действие кинетина на образование пигментов (хлорофилла и амарантина) (табл. 11 а, в). При чем на модельном опыте с этиолированными проростками амаранта показано, что внесение ДНФ через 2 и 4 часа ингибирует действие кинетина на накопление амарантина более чем в два раза (табл. 11 в). Внесение ДНФ через 6 часов после воздействия кинетина почти не оказывает влияния на подавление синтеза амарантина. Сопоставление

наших данных с литературными (Романов и др , 1999) позволяет предположить, что ранние эффекты действия цитокинина (транскрипция и транс тяпия) связаны с влиянием этого гормона на энергетическую эффективность дыхания (окислительное фосфорилирование)

Таблица 11. Эффект действия ДНФ па накопление пигментов под влиянием

кинетина

а) Эффект действия ДНФ на накопление хлорофичла__

вариант среда инкубации ингибировани е эффекта, %

кинетин кинетин + ДНФ

содержание хлорофилла, мигала массы 0,073*0,002 0,025±0,001 66%

в) Эффект действия ДНФ на накопление амарантина

[ вариант

контроль (кинетин)

сроки внесения ДНФ после кинетина_П

ингибирование эффекта, "о

О 101±0 009 0

через 2 часа

0 065±0 007

36

через 4 часа

0 058*0 005

43

через 6 часов I

0,088*0,007 )

13

А мо - специфическое попощение ачараяпша

3. Влияние кинетина и калия на продуктивность пшеницы

В вегетационном опыте наивысшая масса зерна с растения пшеницы отмечается при обработке кинетином на полной дозе калия (табл 12) Важно, что это происходит на фоне наибольшего отношения З^ИУК/АВК (табл 2)

Таблица 12. Влияние кинетина и калия на продуктивность пшеницы (вегетационный опыт)

Показатети

масса зерна с I растения, г

| П1-1ерка^ПУо10аы

| Вариант

1 МР'/5К МРК КРК-АЯ

0.591±0 032 828±б9 0 848±0,070 1,028*0 090

0 58 0 78 0 88 1 11

| 0 12 0 14 0,16 0 19

Растения варианта N7 К *-КН отличаются особенностями развития проводящей системы Совместное внесение кинетина и калия способств><,т увечичению числа и размеров проводящих пучков, возрастанию диаметра кситемы и фло>мы как в стеблях (табл 13 а), так и во фтаговых листьях пшеницы (табл 13 в) Наблюдаемое развитие проводящей системы

Таблица 16. Анатомические особенности проводящей системы пшеницы в зависимости от уровня калия и обработки кинетином (вегетационный опыт,

2000 г.)

а)стебель

вариант проводящий пучок

число пучков в стебле, шт. диаметр пучка, мм диаметр флоэмы, мм диаметр сосудов ксилемы, мм диаметр сосудов метаксилемы, мм

МР'/3К 22+1 0,132+0,001 0,027+0,001 0,084+0,002 0,023+0,001

МР'ДК+К Я 2б±1 0,148±0,003 0,037+0,001 0,090+0,002 0,031+0,001

ЫРК 28+2 0,144+0,005 0,030+0,001 0,093+0,003 0,030+0,001

НРК+ЯЯ 32+1 0,165+0,006 0,046+0,002 0,098+0,003 0,039+0,001

в) флаговый лист

показатели вариант

КР'АК ЫР75К+КЯ ИРК ЫРК+КЯ

длина сети жилок, см/см2 42,25±1,81 52,00±1,64 48,00+1,21 58,10±1,75

диаметр пучка, мм 0,089+0,003 0,109+0,004 0,130+0,005 0,140+0,005

о диаметр флоэмы, мм 0,020+0,001 0,025+0,001 0,025+0,001 0,030+0,001

« § . диаметр ксилемы, мм 0,048+0,001 , 0,063+0,002 0,084+0,002 0,089+0,003

1 1 диаметр сосудов метаксилемы, мм 0,018+0,001 0,024+0,001 0,023+0,001 0,029+0,001

способствует усилению тока воды и ассимилятов под влиянием изучаемых регуляторов. Показателями транспортных потоков к формирующимся зерновкам являются микрораспределение пластических веществ в колосе (отношение ткр„,/тп0лови) и аттрактивная способность колоса (отношение шзсрна/Шсоломы) (Драгавцев, 1994; Удовенко, 1996). Растения, обработанные кинетином на фоне полной дозы калия, характеризуются наибольшим отношением гпкр«»/гппшга<1и и отношением т:>ч,1И/п1<:01Ю,(Ы (табл. 12).

Зависимость между гормональным балансом и формированием зерновой продуктивности проявляется и в полевом опыте. Исследования проводились на двух сортах Терция и Новосибирская 89. В литературе подчеркивается специфичность ответной реакции сортов на обработку регуляторами (Шевелуха и др., 1989). Исследования подтвердили закономерности, полученные в вегетационном опыте, по изменению гормонального баланса в

онтогенезе в независимости от сортовых особенностей пшеницы Однако пшеница более засухоустойчивого сорта Терция о г шчается повышенный

Таблица 13. Гормональный баланс флаговых листьев пшеницы сортов Терция и Новосибирская 89 (конец фазы выхода в трубку, 1999 г.)

показатета вариант

гормонального сорт Новосибирская 89 сорт Терция

баланса контроль обработка КН контроль обработка КН

содержание 213 1±10,1 340 8± 10,1 161,9±7,4 318 9±11,2

зеатина, нпгсухоа массы

содержание АБК, 450,0±15,3 526,3+21,1 514,0^20,2 650,5±25 5

НГ* Г^ухуД массы

отношение 3/АБК 0 47 0 65 0,31 0.4О

Таблица 14. Продуктивность пшеницы сортов Терция и Новосибирская 89

Н 89 - Новосибирская 89

уровнем АБК и сниженным содержанием зеатина (табл 13) По литературным данным АБК играет важную ропь при водном стрессе (Чкаников, 1987) В связи с этим важно, что зерновая продуктивность пшеницы сорта Терция в более влажный юд была нескочько ниже, а засушливый год выше по сравнению с пшеницей сорта Новосибирская 89 (табл 14) Более низкая черновая продуктивность сорта Терция во влажный год может быть связана с пониженным содержанием зеатина (табл 13) Обработка кинетином нормализует гормональную ситуацию (повышает содержание зеатина и отношение 3/АБК) (табл 13) На ггом фоне возрастает зерновая

продуктивность пшеницы, увеличивается продуктивная кустистость и число зерен в колосе (табл. 14).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Действие кинетина и калия на физиологические процессы опосредованно их влиянием на гормональный баланс и содержание калия. Калийдефицитные растения отличаются сниженным содержанием зеатина и ИУК, повышенным уровнем АБК. Внесение кинетина и калия нормализует гормональный баланс органов пшеницы. Растения, выращенные при совместном применении кинетина и калия, характеризуются наибольшим содержанием калия и отношением 3+ИУК/АБК. Под влиянием кинетина и калия увеличиваются содержание хлорофилла, интенсивность и чистая продуктивность фотосинтеза, повышаются интенсивность и энергетическая эффективность дыхания, доля дыхания роста. При одновременном использовании действие кинетина и калия на интенсивность фотосинтеза и дыхания суммируется. Прирост в этом случае стремится к сумме приростов действия каждого из регуляторов в отдельности (аддитивный характер взаимодействия). При анализе содержания хлорофилла каждый из изучаемых нами регуляторов значительно усиливает действие другого, т.е. в их взаимодействии в этом случае проявляется синергизм. Между изменением гормонального баланса и формированием зерновой продуктивности установлена взаимосвязь.

ВЫВОДЫ:

1. Показана динамика формирования гормонального баланса пшеницы в онтогенезе. В первой половине вегетации содержание зеатина, ИУК повышается, а затем снижается. Уровень АБК непрерывно растет. Отношение 3+ИУК/АБК описывается одновершинной кривой с максимумом в фазы колошения и цветения. Изменению баланса фитогормонов соответствует динамика темпов роста органов пшеницы. Действие кинетина и калия на физиологические процессы опосредованно их влиянием на гормональный баланс и содержание калия в органах пшеницы.

2. Калийдефицитные растения отличаются сниженным содержанием ростстимулирующих гомонов, повышенным уровнем АБК, и как следствие, уменьшением отношения 3+ИУК/АБК. На этом фоне рост органов пшеницы тормозится. Нормализация калийного питания приводит к повышению отношения 3+ИУК/АБК, увеличивая, содержание зеатина, ИУК и снижая уровень АБК. Это сопровождается усилением темпов роста пшеницы.

3 Обработка калийдефицитных растений кинетином, повышая содержание калия, частично компенсирует недостаток этого элемента, способствует возрастанию интенсивности физиологических процессов

4 Обработка растений пшеницы кинетином изменяет гормональный баланс, повышает отношение 3-ИУК/АБК На л ом фоне увеличивается фотосинтетическая активность, повышаются темпы роста, возрастает зерновая продуктивность

5 Действие синтетического аналога цитокининов - кинетина, по крайней мере, частично опосредованно его влиянием на изменения в дыхательном обмене Обработка кинетином повышает интенсивность дыхания, увеличивает долю энергетических затрат на биосинтетические процессы (дыхание роста) Опыты с ДНФ указывают на зависимость действия кинетина от его влияния на энергетическую эффективность дыхания

6 Характер взаимодействия кинетина и калия может быть разтичным При совместном применении действие кинетина и калия на интенсивность фотосинтеза и дыхания, ростовые процессы суммируется Приросты в этом случае стремятся к сумме приростов по каждому из регутяторов в отдельности, те в их взаимодействии наблюдается аддитивность При совместном влиянии кинетина и калия на содержание хлорофилла, изучаемые регутяторы значительно усиливают действие друг друга В этом случае проявляется синергизм

7. В по~евых исследованиях при анализе баланса фитогормонов проявляется специфика сортов пшеницы Более засухоустойчивый сорт Терция отличается большим содержанием АБК Обработка растений кинетином увеличивает содержание зеатина и отношение 3/АБК На этом фоне зерновая продуктивность пшеницы возрастает

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАНЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кулакова И А , Коркина Т А Влияние фитогормонов на физиологические процессы этиолированных и зетенеющих проростков яровой пшеницы Тез докл Пятой Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений» -М, 1999 - С 48

2 Якушкина Н И, Коркина Т А Влияние кинетина на некоторые стороны дыхательного обмена проростков пшеницы Тез докл Четвертого съезда общества физиологов растений «Физиология растений - наука III тысячелетия» М, 1999 -С 111

3 Коркина Т А Влияние цитокининов на физиологические процессы пшеницы в зависимости от уровня снабжения калием Тез докл Всероссийской мочодежной научной конференции «Растение и почва» - СПб , 1999 - С 117-118

4. Коркина Т.А., Якушкина Н.И. Особенности влияния калия и кинетина на показатели энергетического обмена проростков пшеницы //Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов. - Воронеж. - Вып. 2. - 2000. -С. 68-70

5. Коркина Т.А., Алимов И.Г. Влияние калия и кинетина на рост и содержание хлорофилла: Материалы межвузовской конференции молодых ученых «Растение микроорганизмы и среда». - СПб., 2000. - С. 37 - 38

6. Коркина Т.А. Взаимодействие калия и цитокининов в регуляции энергетического обмена: Тезисы VII молодежной конференции ботаников. -СПб., 2000. - С. 123 '

7. Коркина Т.А., Якушкина Н.И. Гормональный баланс колоса пшеницы в зависимости от этапа органогенеза и обработки кинетином: Материалы III конференции «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии». - Уфа, 2000. - С. 32-34

8. Коркина ТА., Фирсанова Г.Н. Влияние ионов калия и цитокининов на гормональный статус и анатомо-физиологические особенности пшеницы: Материалы Ш конференции «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии». - Уфа,

2000. -С. 98 -101

9. Коркина Т.А., Поликарпов С.А., Якушкина Н.И. Особенности гормонального баланса двух сортов яровой пшеницы и его изменение в онтогенезе //Доклады РАСХН. - 2001. - №3. - С. 9-10

Ю.Коркина Т.А., Фирсанова Г.Н. Анатомо-физиологические особенности яровой пшеницы двух сортов, различающихся по устойчивости к засухе //Продукционный процесс сельскохозяйственных культур. - Орел. - Ч. 1. -

2001.-С. 196-201

11.Коркина Т.А., Якушкина Н.И. Влияние калийного питания и кинетина на содержание фитогормонов и калия в органах пшеницы //Агрохимия. - 2001. -№ 6. - С. 52 - 56

12.Коркина Т.А., Якушкина Н.И. Значение дыхания в физиологическом действии цитокининов: Тез. докл. Шестой Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений». - М-, 2001. - С. 41 - 42

13.Коркина Т.А., Фирсанова Г.Н. Влияние уровня калийного питания и обработки кинетином на анатомическую структуру пшеницы: Тез. докл. Шестой Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений». - М., 2001. - С. 104

Автор выражает сердечную благодарность своему научному

руководителю д.б.н. Н.И. Якушкиной за постоянную помощь на всех этапах

выполнения работы, благодарит за помощь при выполнении данной работы

сотрудников Института физиологии растений РАН д.б.н. В.Н. Жолкевича, к.б.н.

О Ф Монахову, д б н Романова ГА, мне Гетман И А, сотрудников 1аборатории регуляторов роста МСХА кон НП Карсункину, кон ИВ Скоробогатову, сотрудника МСХА к б н Н В Пилыцикову, преподавате 1я МПУ к б н Г Н Фирсанову Особую признательность автор выражает зав кафедрой агрохимии МСХА д б н Б С Ягодину за помощь в определении калия, сотрудникам БНЦ РАН д б н Г Р Кудояровой и С Ю Весетову за предоставленные наборы для ИФА, а также н с Курганского НИИ сельского хозяйства С А Поликарпову за предоставленные семена пшеницы и оказанную помощь при проведении полевых исследований

Объем 1,25 п.л.

Зак. 495

Тираж 100 экз.

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