Введение к работе
Актуальность проблемы. Условия внешней среды претерпевают периодические и случайные колебания, и отклонения от благоприятных для жизни растений норм часто достигают опасных амплитуд (Библь, 1965; Лархер,1978; Chapin,1991; Bohnert ct al.,1995). Многие факторы среды, к которым растение эволюционно не приспособлено, оказывают стрессовое воздействие на организм, приводящее к физико-химическим нарушениям в клетках, повреждению их структур и метаболических функций (Levitt,I9S0) и снижению или полному подавлению образования органического вещества (Timmennann.Steelin, 1984).
Для средней полосы России одним из основных сдерживающих развитие растениеводства является температурный фактор (Коровин, 1984). Теплолюбивые растения, родиной которых являются тропики и субтропики, интродуцированы в более высоких широтах, и в этих условиях не могли выработать способность противостоять пониженным положительным температурам. Ряд культур', такие как рис, кукуруза, томат, огурец, хлопчатник, соя и др., повреждается в ходе выдерживания при температурах выше точки замерзания тканей, но ниже 15"С; такое повреждение называют Холодовым (Levitt,1980; Raison,Lyons,1986).
Действие пониженных температур в умеренном климате приводит к снижению или полной потере урожая теплолюбивых растений - либо за счет прямого повреждения, либо замедленного созревания (Wilson, 1985). Даже небольшие понижения температуры, не вызывающие видимых повреждений таких растений, снижают их продуктивность до 50% (Коровин,1969). Очевидно, что проблема устойчивости к пониженным положительным температурам, часто действующих на растения в весенний и осенний периоды во многих регионах нашей страны, имеет важное значение для практического растениеводства.
Для успешного выращивания многих культурных растений в средней полосе России и дальнейшего продвижения зоны их возделывания на север необходимо комплексное исследование физиологического действия пониженных температур на теплолюбивые растения с целью повышения их холодоустойчивости (Генкель, Кушниренко,1966; Дроздов и др.,1984). При этом обязательно четкое понимание процессов, посредством которых пониженные температуры приводят к повреждению, и механизмов, лежащих в основе устойчивости к охлаждению (Lyons et al., 1979). На зтой основе возможна разработка методик определения и повышения устойчивости к пониженным температурам с последующим их использованием в программах селекции.
Цель и задачи исследования. Основной целью данной работы было выяснение закономерностей влияния пониженных положительных температур на цито-физиологические процессы у теплолюбивых растений и разработка подходов к направленному повышению холодоустойчивости. Для достижения этой цели были определены следующие задачи:
- раскрытие механизмов инициации холодового повреждения с участием ионов кальция, активированных форм кислорода (АФК) и функционированием ан-тиоксидантных систем защиты клетки;
ЦЕНТРАЛЬНАЯ НАУЧІ-У-Я Г7І5ЛИОТЕКА
MOCK, . . > .t'-.'іДЄМИИ
выяснение закономерностей інменєїіпн цигофипіочопіческих процессов при различной хшгетыюстн п интенсивности охл їжтсіши и скорости понижения температуры
выяснение скорости реіпр ший повреждений на клеточном и органнзмен-ном \ровнях в пос іетенсзвии охіілж тения различной интенеивности,
изучение онтогенетических и сортовых особенностей изменении цитофи-зиочогических процессов при хозодовом повреждении у зепзозюбивых растений,
- построение физио ютической и математических модстеи инициации и
развития хозодового повреждения на клеточном и тканевом \ровнях,
разработка методов опрететення интенсивности хозодового повреждения и сравнитетьной оценки хотодочетойчивости сортов к\эьтивир\емых растений и клеточных тиннм,
изучение действия экзогенных соединений разтичной природы на цитофи-зиологические процессы при хотодовом повреждении,
выяснение возможности направзенного повышения резистентности теплолюбивых растений к действию пониженных температур посредством скрининга ш vitro холодоустойчивых клеточных тиний
Основные положения работы, выносимые на ищи і у
-
В основе нарушений физиочогических процессов у теплочюбивых растений, вызываемых действием пониженных температур, лежат изменения цитофизиологических параметров на уровне клеточных мембран Первичными индукторами холодового стресса являются внутриклеточные реакции, связанные с образованием АФК и участием ионов кальция
-
Наблюдаемые цитофизиологические изменения нелинейно зависят от длительности, напряженности и скорости возникновения холодового стресса При действии пониженных температур, не приводящих к гибели растений, наблюдается преимущественно трехфазная реакция изменений цитофизиологических процессов, отражающая ответ на шоковое воздействие, акклимационные перестройки и повреждение
3 Цитофизиологические реакции на охлаждение имеют генетические
(сортовые), онтогенетические и эпигенетические (в культуре in vitro) различия,
чувствительность к пониженным температурам может быть изменена температур
ными и химическими (регуляторы роста, антиоксиданты) воздействиями
-
На основании изменений цитофизиологических параметров возможна диагностика холодового повреждения и холодоустойчивости сортов и селекционного материала теплолюбивых растений, а также клеточных пиний в кузьтуре in vitro
-
Клеточная селекция на холодоустойчивость дает возможность позучення линий теплолюбивых растений с пониженной чувствительностью к охлаждению
Научная новизна Получены фундаментальные научные резучьтаты, позволяющие понять первичные механизмы реакции клеток на холодовой стресс, проследить последующее развитие повреждения (вторичные эффекты охлаждения), выяснить «клал эндо- и экзогенных факторов в повышение холодоустойчивости
интактных растений и клеточных популяций. Выявлены сортовые и онтогенетические различия изменений цитофизиологических процессов при охлаждении. При этом впервые изучено влияние пониженных температур на активность K'.Mg2* - и Са"* -ЛТФаз в листьях растений проса, огурца и кукурузы. Показана роль ионов Са"* и супероксидного аннонрадикала в инициации холодового повреждения. В динамике охлаждения установлена трехфазная реакция клеток на холодовой шок, отражающая стрессовые ответы, акклимационные изменения и обратимое повреждение. Выявлены различия по длительности сохранения нарушений (в последействии охлаждения) в зависимости от интенсивности холодового стресса. Рассчитаны математические закономерности изменений цитофизиологических параметров при рамичных режимах охлаждения. Разработана концепция инициации и развития холодового повреждения теплолюбивых растений на клеточном и тканевом уровне.
Выявлены ключевые этапы холодового повреждения (связанные с повышением уровня АФК), воздействие на которые приводит к изменению реакции растений на пониженные температуры. Разработана стратегия подбора соединений, повышающих холодоустойчивость. Дано физиологическое обоснования протекторного действия регуляторов роста при охлаждении растений.
Практическое значение работы. Результаты настоящей работы использованы для разработки методов оценки холодоустойчивости сортов и селекционного материала теплолюбивых растений, основанных на изменениях цитофизиологических показателей (проницаемости мембран, интенсивности перекисного окисления липидов - ПОЛ, внутриклеточного рН), на один из которых получено авторское свидетельство (Ах. СССР N 1732857,1992 г.).
Разработано практическое обоснование подбора химических соединений, способных снизить чувствительность к холодовому повреждению у различных видов теплолюбивых растений. Экспериментально показано антистрессовое действие различных синтетических регуляторов роста, в основном цитокининовой природы.
Показана принципиальная возможность направленного повышения холодоустойчивости теплолюбивых растений на основе клеточной селекции (скрининга клеточных культур после охлаждения).
Полученные данные могут быть использованы для создания новых технологий возделывания теплолюбивых растений в зонах риска пониженных температур, а также при конструировании холодоустойчивых растений методами клеточной и генной инженерии.
Материалы диссертационной работы использованы при чтении общих курсов "Физиология растений", "Цитология и клеточная инженерия" и спецкурсов "Экологическая физиология" и "Экология растений" в Мордовском госуниверситете, а также в лабораторных практикумах по этим и другим курсам.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены и доложены на Всесоюзной конференции "Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений" (Иркутск, 1984), межвузовских семинарах-
совещаниях Ыючсмбрлны (tip milk 1984 |1>Ч~>) конференции Фиіио юго оио-химичеекие основи имммшгеп к ірибнмм ооіеіням рк. гении (Уфі 1988) IV конференции моюлых \ченых ИПФС (Ilvmmio ll,S9) XII hivmioii конференции Изучение охрлпл и рщионтдыюе иепо іь»ов тис приро шыч рее\реов" (Уфа 1989) конференции мо іо іьіх >ченых Оеиопні іе н іпр їв іения ее іекшіи и семеноводства овощных кулылр (С) іиіпшво 1989) и rv ню пріктическон кон р^реншіи 'Молодые VMeiibie - сельскому хоічиєтву Не itpiioicMiion існьі (Немчиневка
1989) Ш и IV Всесоюзных конференциях мо ю іьіх \ ієні їх по физио югии раеги
тельной клетки (Москві, 1989, 1990) XIV iijviiioh конференции молодых v іеньїх
Повышение іффективноети производи on овоніеіі и оахчевых кл іьглр (Мытищи,
1990) Втором съезде Веееоюіното ебшествл фіізиотсіов ранении (Минек, 190
1993), Ежегодных симпозиумах ОФР РЛН Фишко-хнмичеекие основы физио ю-
гии растении" (Путино, 1995, Пенза 1996 Москва 1997), Третьей и Четвертой
Междунзродных конференциях Регуляторы ростл и ріівития растении
(Москва,199э 1997) Между народном совет шин Дыхание рае тений Физио го
тические и экологические аспекты (Сыктывкар, 1995), Второй межвузовской
конференции Влияние физических и химических факторов на роет и развитие
сетьскохозяйственных растении (Орехово-Jvcbo 1996) XII - XXVII Огаревеких
чтениях (Саранск, 1983 - 1998), научных семинарах Мордовского отдетсния Все
союзного и Российского общества фи жологов р істении (Саранск, 1989 - 1997)
Публикации Основные резутьтаты диссертации представлены в 61 печатной работе Потучено 1 авторское свидетельство
Структура и объем работы Диссертация изложена на 323 стргницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, рекомендаций по использованию результатов исследования, выводов списка литературы (522 наименования, в том числе 385 иностранных) Работа содержит 55 таблиц и 44 рисункз
