Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Стресс и растительный организм 12
1.2. Адаптация растительных организмов к стрессу 16
1.3. Водобеспеченность как необходимый фактор жизнедеятельности растительного организма 20
1.4. Методология фитомониторинга в решении задач экологической физиологии 48
1.5. Фитомониторная диагностика водного дефицита 54
1.6. Связь между засухоустойчивостью и продуктивностью 67
Глава 2. Материалы и методы исследований 70
2.1. Объекты и методы исследований 70
2.2. Принцип действия и конструкция датчика скорости ксилемного потока 72
2.3. Принцип действия и конструкция датчиков толщины листовой пластины и корня 73
2.4. Основные технические средства, используемые в работе 75
2.5. Фитомониторинг, как основа системной диагностики состояния растений 76
Глава 3. Результаты собственных исследований 80
3.1.Фитомониторные признаки водного стресса и диагностика 80
3.2. Изменение параметров водного обмена у растений в зависимости от ярусности 85
3.3. Генотипические различия реакций растений на водный стресс и диагностика засухоустойчивости 92
3.4. Генотипические различия изменений параметров водного обмена в условиях кратковременного дозированного водного стресса .125
3.5. Степень изменения оводненности корней нетранспирирующих проростков, как метод диагностики относительной засухоустойчивости растений 135
Глава 4. Заключение 146
4.1. Заключение 146
4.2. Выводы 151
4.3. Практические рекомендации 153
Список цитируемой литературы 155
- Адаптация растительных организмов к стрессу
- Фитомониторная диагностика водного дефицита
- Изменение параметров водного обмена у растений в зависимости от ярусности
- Степень изменения оводненности корней нетранспирирующих проростков, как метод диагностики относительной засухоустойчивости растений
Адаптация растительных организмов к стрессу
Свойство адаптации растений к неблагоприятным воздействиям, в том числе и к водному стрессу, - результат формирования в ходе эволюции сложных структур, большого числа обратных связей между подсистемами. Благодаря их взаимодействию функционирует сложный регуляторный механизм, обеспечивающий стабильность растительного организма, как единой биологической системы в постоянно меняющихся внешних условиях.
Адаптация к стрессу - метаболически активный процесс, причем высшие растения располагают множеством адаптивных механизмов, способствующих выживанию в условиях биотических и абиотических стрессовых воздействий (Levitt J., 1972; Turner N., 1981; Генкель П.А., 1982; Vaadia V., 1985; Жученко A.A., 1988,1990 и др.). Один из механизмов адаптации провляется в том, что при перенесении неблагоприятных условий растения либо заблаговременно впадают в состояние покоя, либо резко снижают проявление жизнедеятельности: поглощение воды и питательных веществ, фотосинтез, рост. Примером этого может служить осенне-зимний покой деревьев, луковичных или резкое сокращение жизнедеятельности у озимых при охлаждении и легкое восстановление всех функций при повышении температуры.
Другой механизм адаптации заключается, наоборот, в усилении жизнедеятельности, при этом растительный организм благодаря интенсивному росту корней, листьев, обильному ветвлению, активизации многих физиологических процессов находит необходимые условия существования, преодолевая действие неблагоприятных факторов. Однако, очевидно, что данный механизм может обеспечивать существование растительного организма только в не слишком жестких условиях, если температура, влагообеспеченность, засоленность почвы и другие факторы ненамного отличаются от оптимальных требований. При очень сильных воздействиях данный тип адаптации приводит к гибели растительного организма, а более эффективным оказывается первый тип. Однако, каждому растительному организму в той или иной степени присущи оба типа адаптации, что обеспечивает пластичность и приспособляемость растений к неблагоприятным факторам среды (Гродзинский Д.М., 1983; Жученко А.А., 1988, 1990; Савин В Н., Никитина Л.И., 1998).
Иными словами в широком экофизиологическом смысле понятие устойчивость включает в себя как резистентность к стресс-факторам, так и избежание стресса благодаря морфологии и особенностям строения и развития объекта, а также изменениям физиологических реакций, происходящим на клеточных и субклеточных структурах, контролирующих рост и формирование продуктивности растений.
Большинство культурных растений способны приспосабливаться к окружающим условиям и в той или иной степени переносить кратковременный водный дефицит и перегрев, характеризуются сбалансированным водным обменом и мезоморфной структурой. Однако необходимо указать на то, что среди представителей культурных растений существуют большие градации в отношении их мезофитных свойств: от типичных мезофитов (томаты, огурцы и др.) до видов которых можно отнести к категории достаточно засухоустойчивых мезофитов (сорго, просо, морковь) (Лебедев СИ., 1978).
Кроме того, даже сорта отличаются своей большей или меньшей засухоустойчивостью. Одни из них могут выносить сравнительно длительное нарастание остаточного водного дефицита и небольшой перегрев, способность к этому у других сортов выражена достаточно слабо. Это объясняется характером генома, его емкостью и степенью реализации его потенций в процессе онтогенеза (Радченко С.С., 1990).
Согласно литературным данным (Кильчевский А.В., Хотылева Л.В., 1989; Драгавцев В.А., 1994; Пивоваров В.Ф. и др. 1994) для выбора в качестве исходных форм при селекции на засухоустойчивость, учитывают признаки, позволяющие дифференцировать растения на устойчивые и неустойчивые. К ним относятся как морфологические, так и физиолого-биохимические характеристики растительных объектов - быстрота и мощность корневой системы, глубина ее проникновения в почвенные горизонты, общая и активно поглощающая площадь поверхности корневой системы, степень водоудерживающей способности клеток, прочность связи электролитов со структурными компонентами клеток, интенсивность дыхания, активность ряда ферментных систем, интенсивность и продуктивность фотосинтеза в условиях нормального водообеспечения и при водном дефиците, состояние пигментного комплекса при обезвоживании, процессы регуляции транспорта воды в растении и ряд других (Радченко С.С., 1990).
Так, засухоустойчивые сорта, в условиях водного дефицита, характеризуются большим гидротропизмом корневой системы, меньшими изменениями интенсивности фотосинтетических реакций и большей стабильностью ее пигментных систем, менее значительными изменениями интенсивности дыхания, состава липидов и белков, большим количеством связанной воды в клетках, повышенной концентрацией клеточного сока, более стабильными водным режимом, что позволяет им в течение более длительного времени и с наименьшими потерями переносить действие стресса (Пронина Н.Д., 1971; Bearsel M.F. et al., 1973; Проценко Д.Ф. и др., 1975; Гаугаш М.В. и др., 1985; Sairam R.R., 1994). Для них характерен также более быстрый период восстановления после снятия действия негативного фактора, который в значительной мере может служить физиологическим признаком высокой степени адаптации растений к стрессовому воздействию.
Изучение вопросов водного режима и засухоустойчивости растений, в связи с биологическими особенностями сорта, необходимо для разработки рекомендаций по адекватному использованию сортов в конкретных экологических условиях и при прогнозировании их максимальной продуктивности.
Фитомониторная диагностика водного дефицита
Средством противостояния растительного организма стрессовым воздействиям и, в частности недостаточному водообеспечению, является сохранение гомеостаза. Наиболее доступный для наблюдения признак сохранения гомеостаза - поддержание тургора или оводненности тканей растения. В ряде работ (Кушниренко М.Д., 1989; Маньковская Л.М., 1989;Радченко С.С., 1990; Sairam R.R., 1994; Стасин О.О., Григорюк И.А., 2000) было отмечено, что при сохранении оводненности тканей растительного организма в оптимальном диапазоне сохраняются и более глубинные характеристики - относительная стабильность клеточных пластид, интенсивность фотосинтеза и дыхания, активность ферментов, уровень АБК и пролина и ряд других.
Таким образом, потеря тургора тканями растения является важнейшим и самым ранним показателем нарушения водного баланса, которая может привести к негативным изменениям важнейших физиологических и биохимических процессов организма.
Водный дефицит наиболее сильно сказывается на тургесцентности листьев и стеблей. Ослабение поглотительной деятельности корневой системы при недостатке влаги замедляет поступление воды в растение и снижает водный потенциал тканей, что приводит к сжатию стеблей. Это позволяет использовать параметр толщины стебля как критерий водообеспеченности растений.
Кроме того, еще одним из информативных параметров, характеризующих водный режим растительного организм, является показатель изменения скорости дальнего транспорта под действием экзогенных факторов.
Известно, что скорость движения воды от корня к листьям при нарастании водного дефицита значительно снижается вследствие уменьшения интенсивности транспирации. Даже незначительный водный дефицит способен вызвать изменение скорости ксилемного потока, нарастающий водный стресс значительно снижает данный параметр.
Регистрация изменений скорости ксилемного потока (СКП) и снижения тургесцентности органов в условиях нарастания водного дефицита проводилась многими авторами на различных растительных объектах (Карманов В.Г., Радченко С.С, 1984; Кушниренко М.Д. и др., 1984; Семененко П.П., 1989; Лишук А.И., Радченко С.С, 1990; Радченко С.С, 1998; 2000; Реуцкий В.Г., Родионов П.А., 1992; 1999 и др.).
В практике существует ряд методов измерений скорости ксилемного транспорта:
электрометрический метод, был предложен в начале 60-х годов и основывался на работе нагревателя и регистрации разности температуры в двух точках побега растения (Bloodworth М.Е., 1956);
метод теплового баланса - данный метод преимущественно используется для измерения переноса влаги в стволах деревьев и основан на использовании искусственного источника тепла, в роли которого используется прямой электрический нагрев ксилемы путем пропускания через него тока (Daum C.R., 1967);
метод тепловых импульсов, был предложен БТубером в 1932 году, впоследствии был модифицирован и использован многими исследователями в своих экспериментах;
магнитогидродинамический метод основан на индуцировании ЭДС при передвижении проводника электричества в магнитном поле (Sheriff D.W., 1972);
метод ядерного магнитного резонанса (Галялетдинов М.К., Даутова Н.Р., 1989).
Все эти методы позволяют регистрировать изменение СКП под действием внешних раздражителей. Наиболее часто употребляемый метод регистрации изменения СКП для сельскохозяйственных растений является электротермический. Рядом авторов разработано несколько конструкций датчиков на основе этого метода в зависимости от вида растений: датчик для измерения СКП у многолетних древесных пород (конструкция Тихова П.В., 1979) и датчики для однолетних травянистых растений, каковыми являются большинство сельскохозяйственных культур (Карманов В.Г., Рябова Е.П., 1968; Карманов В.Г. и др., 1984; Нилов Н.Г., 1990; Радченко С.С., Маричев ГА. и др., 1998).
Датчики, разработанные на базе АФИ, обладают рядом преимуществ, одно из которых состоит в том, что они обладают малой массой и не нарушают условия нормального функционирования растительного организма в условиях окружающей среды, что соответствует основным требованиям фитомониторинга.
Кроме оценки глубины водного стресса параметры СКП и относительной тургесцентности могут стать индикаторными в оценке степени засухоустойчивости растительных объектов. В ряде работ авторами были отмечены некоторые отличительные особенности реакций различных по устойчивости растений к недостаточному водообеспечению (Ильницкий О.А., Лишук АЛ и др., 1985; Нилов Н.Г., 1990; Радченко С.С., 1990; Радченко С.С., Иванова В.М. и др., 1996; Черняева Е.В., Радченко С.С., 1999).
Известно, что все растительные объекты реагируют на водный стресс снижением интенсивности дальнего транспорта воды и изменением оводненности органов. Однако глубина и интенсивность этой ответной реакции неодинакова. Можно выделить два альтернативных типа ответной реакции растений на водный стресс. Для подлинно засухоустойчивых, но малопродуктивных генотипов при нарастании стрессового фактора характерно быстрое снижение интенсивности метаболизма, в том числе и водного обмена, но длительное сохранение тургорного состояния. Незасухоустойчивые, но потенциально продуктивные сорта при небольших стрессах сохраняют интенсивность метаболизма при понижении тургора. При больших стрессах у таких растений происходит резкое падение тургора ниже уровня засухоустойчивых генотипов, и растение может погибнуть, в то время как засухоустойчивые сохраняют свою жизнеспособность.
Так, например, в опытах с растениями хризантемы показана прямая зависимость между устойчивостью сорта и потерей тургора в условиях нарастания водного стресса (Радченко С.С., Барененцкий В.А., 1974).
Исследование влияния засухи на 3-5 летние саженцы плодовых культур отличающихся по устойчивости к недостатку влаги, (черешня, алыча, абрикос) показали, что при незначительном нарастании водного дефицита у черешни, как у менее засухоустойчивого вида происходило некоторое повышение скорости ксилемного потока при уменьшении диаметра толщины ствола. Дальнейшее усиление стресса вызывало значительное снижение обоих параметров. У абрикоса, как у наиболее засухоустойчивого растения, происходило постепенное снижение этих параметров, причем относительные изменения СКП и диаметра стебля были намного меньше, чем у черешни. Алыча занимала промежуточное положение по глубине ответной реакции на недостаток воды (Лишук А.И., Радченко С.С. и др., 1989).
Изменение параметров водного обмена у растений в зависимости от ярусности
Согласно закону В.Р.Заленского (1904) существуют определенные закономерности в анатомическом строении тканей органов растительного организма в зависимости от места расположения на растении.
Признаки ксерофильности листьев верхих ярусов, а именно меньший размер клеток, большее количество устьиц на единицу поверхности, более густая сеть проводящих пучков и ряд других свойств, обеспечивают проявление и определенных физиологических особенностей. Так, листья верхнего яруса обладают более высокой ассимиляционной способностью, более интенсивной транспирацией и более высоким осмотическим давлением. Все эти свойства обеспечивают меньшую чувствительность листьев верхнего яруса к водному стрессу (Кушниренко М.Д., Жулавская М.Н., 1978; Aggarwal P.R., Shina S.K., 1984; Radchenko S., Chernyaeva E., 1996; Patakas A., Noitsakis B. et al., 1997).
На рисунке 3.2.1. представлены результаты мониторинга растения перца в условиях нарастающего водного дефицита. Приведены записи для верхнего сформировавшегося листа и листа нижнего яруса, а также характеристики толщины стебля в верхней и нижней части растения. Расстояние между регистрирующими устройствами составляет 30 см, при общей высоте растения 42 см. Известно, что водный дефицит вызывает снижение параметров водного обмена, однако по мере нарастания стресса амплитуда относительных изменений оводненности для разных ярусов растения не одинакова. Так листья нижних ярусов сильнее реагируют на недостаток воды (кривая 2) за счет большего обезвоживания в дневное время, и амплитуда изменений их тургесцентности значительно превосходит аналогичный параметр для листа верхнего яруса (кривая 3). Это явление соответствует известным представлениям о повышенной чувствительности к почвенной засухе листьев нижних ярусов и большей защищенности более молодых и выше расположенных листьев.
Интересно отметить, что диапазон изменений верхней части стебля при водном дефиците незначителен, в то время как изменения толщины в нижней части составляют порядка 200 мкм. После полива скорость ксилемного потока возрастает и тургор листьев и стеблей восстанавливается. Если проанализировать ход изменений толщины стебля в нижней части и оводненности листа нижнего яруса, то можно убедиться в том, что они практически идентичны по форме, что дает возможность использовать данный параметр не только параллельно с регистрацией изменения оводненности стебля, но и отдельно, как маркерную характеристику водного стресса. Это нашло подтверждение и в опытах с молодыми проростками злаков.
Оценка изменений тургесцентности листовой пластины нижнего яруса листьев пшеницы и ячменя была также информативна не только по сравнению с аналогичными измерениями для верхних, более молодых листьев, но и по сравнению с изменениями толщины трубки (стебля), по-видимому, из-за частичного ее сминания.
На рис.3.2.2. представлен суточный ход параметров водного обмена проростков пшеницы сорта «Ленинградка» в условиях недостаточного водообеспечения (высота растения 26 см, датчики толщин листовых пластин размещены на листьях нижнего и верхнего ярусов растения).
Как видно из рисунка, при переходе от ночи ко дню, после включения света, происходит закономерное повышение скорости передвижения воды в растении и снижение тургесцентности его тканей. Однако из-за недостатка воды в почве, в течение дня, происходит значительное снижение скорости ксилемного потока, относительное значение которого к моменту выключения света приближается к ночному—уровню. Вследствие недостаточного водообеспечения оводненность тканей также значительно уменьшается, причем максимальную чувствительность к дефициту воды в почве обнаруживает лист нижнего яруса растения. Это проявляется в наибольшей амплитуде изменений тургесцентности его тканей, по сравнению с данными характеристиками для листа верхнего яруса и изменениями толщины трубки, и также в том, что после выключения света толщина листовой пластины не восстанавливается.
На рис.3.2.3. представлены результаты многосуточного мониторинга параметров водного обмена ячменя сорта «Белогорка» при нарастающем водном дефиците. График построен для средних дневных значений. Время между поливами составляет две недели. Расстояние между листьями верхнего и нижнего яруса 25 см.
Как видно из рисунка, по мере увеличения стресса, в дневные часы происходит снижение скорости дальнего транспорта воды в растении и изменение оводненности его органов. Амплитуда изменения тургесцентности листа нижнего яруса (кривая 3) значительно превосходит таковую для листа верхнего яруса (кривая 4), при этом максимальные отличия проявляются при значительном снижении содержания воды в почве - за несколько суток до очередного полива. Относительные изменения толщины трубки (кривая 2) в течение всего эксперимента незначительны.
Таким образом, можно констатировать, что регистрация изменений толщины листа нижнего яруса и скорости ксилемного потока в серии данных экспериментов предпочтительны, поскольку являются наиболее информативными характеристиками при стрессовом воздействии. По всей вероятности, использование данных параметров будет целесообразно и для оценки состояния растений с неявно выраженным стеблем (рассада).
Проведенные исследования подтверждают возможность использования показателей изменения скорости ксилемного потока и динамики изменений оводненности органов (листа и стебля) в качестве маркерных характеристик наступления водного стресса, а также для оценки степени толерантности растительных объектов к негативному воздействию.
Степень изменения оводненности корней нетранспирирующих проростков, как метод диагностики относительной засухоустойчивости растений
Условия, в которых развивается большинство растений, таковы, что через растение происходит непрерывный транзит воды. Ее поглощение, передвижение по растению и испарение в атмосферу осуществляется благодаря работе двух концевых двигателей: верхнего - транспирационного и нижнего -нагнетающей деятельности корневой системы. Соотношение работы верхнего и нижнего двигателей водного тока сильно варьирует у разных растений, однако, большая часть поступления воды в растительный организм обеспечивается за счет работы транспирационных сил. Поток воды, вызванной работой нижнего концевого двигателя, относительно невелик и иногда составляет менее 5% от транспирационного потока (Kramer P.J., 1956; Можаева Л.В., Пилыцикова Н.В., 1972; Лукоянова С.А., 1990).
Тем не менее, говоря о регуляции водного обмена у высших растений, следует принимать во внимание работу обоих двигателей водного тока верхнего и нижнего - в их взаимосвязи. Нижний двигатель оказывает управляющее воздействие на верхний двигатель, изменяя содержание воды в клетках листьев, в том числе и устьичных, оказывая тем самым непосредственное влияние на величину транспирационных процессов -интенсивность работы верхнего двигателя водного тока (Лялин О.О., Лукоянова С.А., 1989).
Таким образом, в каждом транспирирующем растении, имеется суммарный градиет водного потенциала, который возникает в результате связной работы верхнего и нижнего концевых двигателей и обеспечивает прохождение через растение потока воды. Связанная работа двух двигателей представляет четко выраженную систему регулирования процессов передвижения воды в растении при постоянно меняющихся внешних условиях.
Процесс поступления воды к корням является функцией трех величин: градиента потенциала воды в почве и корней, удельной капиллярной проводимости почвы и адсорбирующей поверхности корневой системы. Аналогично адсорбция и транспорт воды в растении являются функцией градиента водного потенциала и гидравлической проводимости корней и стеблей (Шматько И.Г., Шведова О.Е., 1977).
При поглощении воды корневой системой почва оказывает определенное сопротивление ее передвижению. В зависимости от содержания влаги и величины удельной прводимости почвы, степень этого сопротивления может колебаться в значительных пределах и оказывать различное влияние на транспортные процессы воды в растении. Показано, что сопротивление почвы передвижению воды в оптимальных условиях не является фактором, ограничивающим поглощение воды растением.
Действительно, в условиях нормального водообеспечения, при 70-80% влажности от ППВ водный потенциал почвы равняется 0,1-0,3 Бар и не способен вызвать изменение интенсивности поглощения воды корнями. В условиях недостаточного водоснабжения, когда величина водного потенциала почвы в десятки раз превосходит вышеуказанное значение, сопротивление току воды через корни заметно увеличивается, и общее количество поступающей воды в растение значительно снижается (Hansen G.K., 1974; Byrne G.F. et al., 1977).
Адсорбирующие характеристики корневой системы зависят, в первую очередь, от площади ее всасывающей поверхности и возможности проникновения корней в более глубокие слои почвенного горизонта, что, в целом, обеспечивает растению стабильный водный режим и уменьшает его зависимость от степени увлажнения верхних слоев почвы. Недоразвитость корневой системы, утончение и частичное отмирание корней под действием водного стресса нарушает связь между различными органами растения, вызывает ряд изменений в процессах их жизнедеятельности, изменяет интенсивность и направленность метаболизма, выражая, тем самым, обитую реакцию растительного организма на негативное воздействие.
Таким образом, скорость роста, мощность и глубина проникновения корневой системы в значительной мере определяет защищенность растительного организма к действию засухи.
Однако, функционирование корневой системы в условиях водного стресса на уровне, обеспечивающим оптимальное поступление воды в растительный организм, определяется не только степенью развития и поглощающей способностью корней, но и целым рядом физиологических характеристик самой корневой системы. Одна из них - способность корневой системы к консервации воды.
Способность корней удерживать некоторое количество воды в условиях водного стресса, и, следовательно, сохранять определенный уровень физиолого-биохимических процессов имеет огромное значение для перенесения почвенной засухи растением в целом. В связи с этим, представляет интерес изучение закономерностей отдачи воды корнями, различных по степени засухоустойчивости растений, при изменении водного потенциала корнеобитаемой среды, и выяснение особенностей генотипических различий в процессах транспорта воды в корнях.
Согласно литературным данным (Emmert F.N., 1974; Демченко ДА., Кумаков В.А., 1991; Zhi-Hua Z. et al, 1996; Nepomuceno A.L. et al., 1998; Kulkami M.J., Prasad T.G. et al., 2000), в условиях водного дефицита, засухоустойчивые сорта характеризуются меньшим изменением объема корней, большей водоудерживающей способностью тканей и более высоким адаптивным потенциалом.
Незасухоустойчивые сорта, напротив, отличаются интенсивной потерей воды под действием стресса, утончением и снижением общего объема корневой системы и более замедленными реституционными процессами.
В настоящей работе предложено оценить феноменологию изменений транспортных процессов в корнях различных по устойчивости растений посредством фитомониторных исследований.
