Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАСТИТЕЛЬНЫЙ ОРГАНИЗМ (обзор научной и патентно-технической литературы) 9
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА РАННИЕ ЭТАПЫ ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ ГРЕЧИХИ 40
3.1. Действие импульсного давления и низких температур на всхожесть семян 40
3.2. Действие импульсного давления на поглощение воды семенами в процессе прорастания 47
3.3. Действие импульсного давления на амилолитическую активность прорастающих семян 52
ГЛАВА 4. ДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РАСТЕНИЙ ГРЕЧИХИ 5 5
4.1. Дыхание семян гречихи при действии импульсного давления и низких температур 55
4.2. Влияние импульсного давления и низких температур на активность ферментов антиоксиданти ой системы 59
4.3. Интенсивность транспирации растений гречихи при действии импульсного давления и низких температур 67
4.4. Действие импульсного давления и низких температур на фотоассимиляцию растений гречихи 76 4.4.1. Влияние импульсного давления и низких температур на содержание пигментов у растений гречихи 76
4.4.2. Изменение интенсивности фотосинтеза при действии
импульсного давления и низких температур 82
ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ ГРЕЧИХИ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ДАВЛЕНИЕМ И НИЗКИМИ ТЕМПЕРАТУРАМИ 85
5.1. Роль пролина в развитии стресс-реакции у прорастающих семян 85
5.2. Действие импульсного давления на засухо- и солеустойчивость
семян гречихи 93
5.3. Действие импульсного давления и низких температур на
устойчивость к засолению проростков гречихи 100
ГЛАВА 6. ФОРМИРОВАНИЕ УРОЖАЯ РАСТЕНИЙ ГРЕЧИХИ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ДАВЛЕНИЕМ И НИЗКИМИ ТЕМПЕРАТУРАМИ 104
6.1. Влияние импульсного давления на рост растений гречихи 104
6.2. Действие импульсного давления и низких температур на продуктивность растений гречихи 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
ВЫВОДЫ 127
ЛИТЕРАТУРА 129
- ДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАСТИТЕЛЬНЫЙ ОРГАНИЗМ (обзор научной и патентно-технической литературы)
- Действие импульсного давления и низких температур на всхожесть семян
- Дыхание семян гречихи при действии импульсного давления и низких температур
- Роль пролина в развитии стресс-реакции у прорастающих семян
- Влияние импульсного давления на рост растений гречихи
Введение к работе
Актуальность. В последнее время в физиологии растений большое внимание уделяется проблеме стресса. Важнейшей задачей является изучение влияния неблагоприятных факторов внешней среды и ответны реакций растительного организма. Способность к защите от действия абиотических и биотических факторов среды - столь же обязательное свойство любого организма, как питание, движение, размножение и др. Эта функция появилась одновременно с возникновением первых живых существ и в ходе дальнейшей эволюции развивалась и совершенствовалась.
В середине 30-х годов XX столетия канадский ученый Г. Сельс впервые показал, что различные неблагоприятные воздействия вызывают неспецифический ответ в организме животного (Селье, 1972). В середине XX века теория стресса была перенесена на растительный организм. В настоящее время известно, что стресс у растений состоит из следующих трех фаз: первичной стрессовой реакции, адаптации, истощения ресурсов надежности (Полевой, 1989; Тарчевский, 1993).
Влияние факторов внешней среды сопряжено с изменениями на разных уровнях биологической организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном и популяционном (Полевой , 1989). Возникающие функциональные и структурные изменения на молекулярном уровне вызывают каскад реакций, приводящий к нарушениям процессов роста и развития и способствующий изменению устойчивости, жизнеспособности, продуктивности растений (Батыгин, 1986; Полевой, Саламатова, 1991; Тарчевский, 1993, 2001; Андрианова, Тарчевский, 2000).
В настоящее время для управления процессами роста и развития помимо традиционных средств (удобрения, химические регуляторы и т.д.) все больше используются различные физические факторы: ультразвук, энергетические поля, ионизирующее излучение, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, низкие температуры и др. Физические стимуляторы отличаются технологичностью, эффективностью, производительностью. Недостатками указанных методов являются трудность дозировки и мутагенные эффекты. Нами использован новый метод обработки семян - воздействие импульсным давлением (ИД), создаваемым детонацией взрывчатого вещества. Преимущества метода заключаются в точности дозирования, равномерности распределения в среде и мгновенности воздействия, при котором не происходит грубого механического разрушения объекта.
Цель и задачи исследования. Цель работы - выявление изменений физиологических, биохимических процессов при действии импульсного давления и низких температур (НТ), а также их роль в формировании урожая растений гречихи.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
Изучить действие ИД и НТ на энергию прорастания, всхожесть и водопоглощение семян, а также активность амилаз при прорастании.
Выявить изменения интенсивности дыхания семян, активности ферментов каталазы и полифенолоксидазы при действии ИД и НТ.
Исследовать интенсивность транспирации листьев разных ярусов при действии ИД и НТ и ее связь с анатомической структурой листа.
Выявить изменения содержания хлорофиллов, каротиноидов в листьях при действии ИД и НТ и их связь с интенсивностью фотосинтеза и формированием урожая растений гречихи.
Изучить устойчивость семян и растений гречихи к засухе и повышенному содержанию солей в почве при действии ИД и НТ, а также устойчивость к низкому уровню инсоляции при импульсном давлении.
Исследовать структуру урожая растений гречихи при действии ИД и НТ, а также влияние изменений морфофизиологических и биохимических процессов на формирование качественных и количественных характеристик урожая.
Научная новизна. В работе применялась одно- и двухфакторная схема анализа с широким диапазоном воздействий. Комплексными исследованиями установлено изменение широкого спектра физиологических процессов в семенах под действием импульсного давления и охлаждения. Определены ранние и поздние реакции на действие импульсного давления и низких температур, влияющие на протекание репарационных процессов. Показана возможность применения импульсного давления для активизации роста растений. В работе предложена гипотетическая схема физиолого-биохимических изменений при действии импульсного давления и низких температур.
Положения диссертации, выносимые на защиту. L Характер изменений биохимических и морфофизиологических характеристик растений зависит от параметров обработки ИД и НТ.
Предпосевное воздействие ИД увеличивает водопоглощение и активность амилаз через 3,12 час после начала прорастания, однако это не приводит к повышению энергии прорастания и всхожести семян.
Характер изменений интенсивности дыхания и ферментов антиоксидантной защиты в зависимости от параметров воздействия ИД и НТ.
Выявлена специфичность в действии ИД и НТ на интенсивность транспирации: НТ увеличивает интенсивность транспирации верхних и нижних листьев (утренние часы), а ИД - снижает, несмотря на выраженную ксеромофность листьев верхних ярусов.
Изучаемые факторы повышают содержание пигментов в листьях среднего яруса, интенсивность фотосинтеза, что создает предпосылки для изменения структуры урожая, а также морфофизиологических характеристик.
ИД и НТ увеличивают засухо- и солеустойчивость семян (это, вероятно, может быть следствием повышения содержания пролина, выполняющего защитную функцию), увеличивают солеустойчивость проростков гречихи.
7. Изменение морфофизиологических и биохимических процессов растений при действии ИД и НТ и их связь со структурой урожая гречихи.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Научные положения настоящей работы расширяют и углубляют современные представления о взаимосвязи процессов метаболизма, транспорта, роста и развития растений в формировании урожая.
Применение воздействия на посевной материал импульсным давлением оказывается перспективным в селекционно-генетической работе (для предварительной обработки при получении мутантов), биотехнологии, сельском хозяйстве.
Результаты работы используются в учебном процессе кафедры ботаники, физиологии и биохимии растений ПГПУ при преподавании курса «Физиология растений», «Экология растений», на спецкурсах.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции «Физиология растений и экология на рубеже веков» (Ярославль, Яросл. гос. ун-т, 2003 г.); на V съезде Общества физиологов растений России и Международной конференции «Физиология растений - основа фитобиотехнологии» (Пенза, Пенз. гос. пед. ун-т, 2003); на Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004 г.); на Международной конференции «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия» (Вологда, 2005 г.); на научных конференциях ПГПУ им, В.Г.Белинского (Пенза, 2002; 2004; 2005 гг.); на конференции «Физиология растений - фундаментальная основа агробиотехнологии» (Ростов-на-Дону, 2006 г.); на расширенном заседании кафедры ботаники, физиологии и биохимии растений ПГПУ им. В.Г. Белинского (2006 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения; обзора литературы; экспериментальной части, включающей описание методик, изложение и обсуждение результатов опытов; заключения, выводов; списка использованной литературы (310 наименований, из них 131 зарубежных авторов). Работа включает 158 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 21 таблицу.
Действие физических факторов на растительный организм (обзор научной и патентно-технической литературы)
Анализ литературных данных показал, что внимание ученых привлекают методы физического воздействия на растения с целью управления процессами роста и развития. Изучение реакции растений на воздействие факторов внешней среды позволило выделить черты сходства и различия в изменении одноименных метаболических и морфогенетических процессов, а также характер изменения показателей урожайности (Дмитриев, Страцкевич, 1986). Общность ответных реакций животных и растений на раздражения была отмечена еще в 1900-м году индийским физиком Д.Ч. Босом (Генкель, 1982). В 1940-м году на основании большого фактического материала Д.Н. Насонов и В.Я. Александров пришли к заключению о том, что живая клетка реагирует на повреждающее действие агентов самой различной природы определенным комплексом однозначных неспецифичных изменений (Шкорбатов, 1982; Полевой, 1989). Состоянием стресса называют именно неспецифические реакции, возникающие даже под влиянием противоположных по своему характеру раздражителей. Классическая концепция стресса, которую выдвинул Г. Селье, выделяет следующие стадии общего адаптационного синдрома (совокупности защитных реакций организма при стрессе): реакции тревоги, резистентности и истощения (Селье, 1972). Такое поэтапное проявление всех трех стадий адаптационного синдрома, очевидно, возможно при рассмотрении длительных воздействий сильных (патологических) стрессоров. В отношении же менее сильных и кратковременных воздействий картина может быть иной (Колесниченко, Войников, 2003).
Первичная реакция на воздействие стрессора направлена на предотвращение повреждений клеток организма, а потому является универсальной {Удовенко, 1979; Мелехов, 1985; Кузнецов и др., 1987;
Александров, Кислюк, 1994; Dixon, Palva, 1995; Пахомова, 1995; Пахомова, Чернов, 1996), что проявляется в мобилизации неспецифических защитных реакций, участвующих в формировании адаптивных реакций растений, способствующих повышению их устойчивости к изменяющимся условиям среды. В случае же сильного и длительного стресса наступает истощение, которое может закончиться смертью (Колесниченко, Войников, 2003). Известно также, что организм может погибнуть в течение короткого времени, не выходя из стадии тревоги (Селье, 1972; Удовенко, 1979; Пахомова, 1995; Топунов, Петрова, 1997). При воздействии на растения какими-либо физическими или химическими факторами в дозах, которые не встречаются в природе, наблюдаются фазы, сходные с реакцией на природные стрессы (Батыгин, 1980,1986).
Действие импульсного давления и низких температур на всхожесть семян
Стрессовые реакции растений на физические факторы проявляются в нарушении равновесного состояния систем и способствуют достижению нового равновесия (Веселовский и др., 1993). В семенах эти процессы инициируются при действии стрессоров больших интенсивностей, летальных и сублетальных для проростков и взрослых растений (Пахомова, 1995). Изучению закономерностей прорастания семян и влиянию на прорастание физического воздействия посвящены работы многих ученых (Полевой, 1989; Петровская-Баранова, 1983; Сулейманов, 1975, Сытник, 1966; Овчаров, 1976; Обручева и др., 1988; Galova, 1996; Levin et al., 1996; Neumann et. al., 1989; Suganuma, 1995 и др.).
В период прорастания семян закладываются зачатки генеративных и вегетативных органов, поэтому изменение физиологических процессов этого этапа, вызванное стрессором, отразится на протекании всех последующих этапов онтогенеза, на росте и продуктивности растений (Фесенко, 1983; Нефедьева, Хрянин, 1999).
Импульсное давление (ИД) является стрессирующим фактором. Стресс наступает в семенах в ответ на воздействие окружающих условий, которые противодействуют процессам, приводящим к прорастанию.
Предварительные эксперименты показали, что последействие предпосевной обработки семян импульсным давлением проявляется, прежде всего, на ранних фазах развития. Одним из важных физиологических и хозяйственных показателей являются энергия прорастания и всхожесть семян. Поэтому данные показатели были определены в первую очередь.
Как видно из таблицы 1, обработка плодов гречихи импульсным давлением (П МПа, 29 МПа) привела к изменению энергии прорастания и всхожести. Наибольшая энергия прорастания отмечена в контроле. ИД 11 и 29 МПа уменьшило этот показатель на 9,3-12,3% относительно контроля соответственно. Таким образом, совершенно очевидна зависимость энергии прорастания семян гречихи от мощности дозы импульсного давления в начальный период. С увеличением дозы воздействия уменьшалась энергия прорастания семян.
Дыхание семян гречихи при действии импульсного давления и низких температур
Интегральным показателем изменения энергетических процессов является дыхание. Энергия дыхания используется для ростовых процессов растений, различных синтетических реакций, поглощения элементов минерального питания, передвижения ассимилятов. Интенсивность дыхания организмов в значительной степени зависит от условий среды и действия различных факторов: температуры, влажности, ионизирующего излучения, электрических и магнитных полей и др. (Рубин, Ладыгина, 1974; Семихатова, 1990). Ряд авторов показывали, что при действии многих физических факторов, интенсивность дыхания возрастает. (Кусакина, Елисеева, 1987; Лапаева, 1973; Рубин, Ладыгина, 1974; Курганова, Красенкова, 1987; Корнеева, Переверзева, 1996). Одним из следствий воздействия низкими температурами также является изменение интенсивности дыхания (Лукаткин, 2002 а, 2002 б, 2002 в). Обнаружено, что длительное повышение интенсивности дыхания после пролонгированной холодовой экспозиции может указывать на необратимые метаболические нарушения и накопление недоокисленных промежуточных соединений (Eaks, 1980). Механизм стимуляции до конца не ясен. Возможно, что усиление дыхания отражает реакцию на перенос растений из пониженных температур в более высокие (Sasson, Bramlage, 1981). Однако вероятно и неодинаковое действие на разные виды и сорта охлаждения различной интенсивности и продолжительности (Дроздов и др., 1982; Leviatov et. al., 1994, 1995). В работе О.А. Зауралова и А.С. Лукаткина (1997) выдвинуто предположение, что небольшую стимуляцию дыхания после охлаждения следует рассматривать как адаптивную реакцию, а снижение или очень большое увеличение интенсивности дыхания - как начало развития повреждений растений (Зауралов, Лукаткин, 1997).
Роль пролина в развитии стресс-реакции у прорастающих семян
Биохимические исследования стресса показали, что организм регулирует ответ посредством химических сигналов. При стрессе в клетках происходит активация стрессовых белков с одновременным ослаблением синтеза нормальных белков. Возрастает содержание растворимых углеводов, которые стабилизируют цитоплазму, а также свободной иминокислоты -пролина (Юркевич, Потопольский, 1994; Колесниченко, Войников, 2003). Азот пролина может составлять более половины азота всех свободных аминокислот, а сам он легко вовлекается в окислительные процессы даже при наличии углеводов (Бритиков, 1975).
Одна из основных функций пролина - защитная. Благодаря гидрофильным группам пролин связывается с гидрофильными участками белков. Увеличение гидрофильности белков защищает их от денатурации и способствует поддержанию оводненности даже при снижении общего содержания воды в клетке (Schoberf, Tschesche, 1978; Stewart, Boggess, 1978). Кроме того, пролин сам является осмотически активным веществом.
Вторая функция пролина связана с приостановлением ростовых процессов. Известна корреляция между интенсивностью накопления свободного пролина и степенью затухания ростовых процессов у контрастных по устойчивости к отрицательным температурам растений (Перуанский, Стаценко, 1981). Торможение роста при накоплении пролипа заключается в разрыве цепочки пролин - оксипролин и замедлением синтеза экстенсина, важнейшего белкового компонента клеточных стенок (Tierney, Varner, 1978). В синтезе пролина участвуют пирролин-5-карбоксилат синтаза (P5CS) (Hayashi et al, 2000), орнитин-трансаминаза, НАД(Ф)Н-пирролин-5-карбоксилатредуктаза (Guerrier et al., 1997). НАД(Ф)Н-пролиндегидрогеназа (ProDH) катализирует первую и лимитирующую реакцию распада; затем происходит накопление глутаминовой кислоты (Mani et al., 2002). Косвенную роль в распаде пролина играет НАД-киназа, ответственный за содержание НАДФ (Guerrier et al., 1997). Экспрессия двух генов, ответственных за синтез ферментов метаболизма пролина, регулируется уровнем оводненности, а накапливающийся пролин поддерживает осмотический баланс клетки и окружающей среды (Hayashi, 2000). Предполагается, что накопление пролина также регулируется концентрациями сахарозы и АБК (Verslues, Bray, 2005). Добавление экзогенного пролина увеличивало на 30% выживаемость в условиях стресса трансгенных растений арабидопсиса с высоким уровнем ProDH (Mani et al., 2002).
Поскольку пролин оказывает защитное действие на клеточном уровне, а именно защищает ферменты и внутриклеточные структуры, регулирует рН цитозоля, инактивирует свободные радикалы (Франко, Мело, 2000), повышение его содержания важно для выживания клеток при развитии стресса. Осмопротекторная роль пролина важна также при пониженных температурах для предотвращения образования кристаллов воды.
Проведенные исследования показали, что ИД оказало влияние на содержание пролина в прорастающих семенах гречихи в возрасте от 0 до 48 час. В контроле (рис. 22) наибольшая концентрация пролина отмечена а сухих семенах, а затем она снижалась: через 3, 6, 24 и 48 час проращивания уровень пролина уменьшился на 35-50% относительно исходного уровня. Через 12 час наблюдали повышение уровня пролина на 60% относительно его концентрации через 6 час после начала прорастания.
Влияние импульсного давления на рост растений гречихи
Для нормального существования растений необходима сбалансированность элементов минерального питания. Однако содержание того или иного элемента в почве непостоянно, оно может изменяться под влиянием факторов внешней среды. И часто элементы или минеральные соли могут накапливаться до токсического уровня (Чиркова, 2002). Избыточное содержание минеральных солей характерно для 30 % почв планеты (Полевой, 1989).
Предполагается, что вредное действие засоления почвы на растения является следствием ионных и осмотических эффектов. В ряде случаев засоление усугубляет недостаток или токсичность ионов элементов питания (Са , Р04" и др.). В условиях засоления у большинства культивируемых видов растений снижается интенсивность дыхания и фотосинтеза, синтеза белков и нуклеиновых кислот, фосфорного обмена (Чиркова, 2002), поглощения элементов минерального питания (Удовенко, 1966), их метаболического использования в надземных органах, подвижность воды и доступность ее для растения (Строганов, 1973), что приводит к замедлению темпов роста.
Согласно Левитт, при солевом стрессе возможны повреждения мембран клеток как следствие изменения липидного комплекса, денатурации и агрегации белков, нарушения обменных процессов, возникновения осмотического стресса (Levitt, 1978,1980).
Для массовой оценки относительной солеустойчивости полевых культур использовали метод, основанный на определении ростовой активности проростков в растворе NaCl (Проценко и др., 1973) (табл. 11).
Наибольшая ростовая активность в растворе соли отмечена в контроле (81%), в опытах ИД 11 МПа и 29 МПа она была меньше значений контроля на 11,7-17,3% соответственно.
При совместном действии НТ и ИД наибольшие значения ростовой активности отмечены также в контроле. При воздействии температурой +4 С в течение 6, 12 и 24 час они составляли 65,4; 61,2 и 55,1% соответственно. Значения ИД 11 МПа и ИД 29 МПа были меньше контроля на 4,9-7,1%; 3,4-6,0% и 6,4-10,2% при 6,12 и 24 час воздействии.
Ростовая активность при действии температуры 0С изменялась аналогично, отличаясь лишь меньшими по сравнению с предыдущей температурой значениями изучаемого признака: в контроле 61,3; 56,8 и 50,7%, в опытах ИД 11 МПа и ИД 29 МПа 54,6-49,2%; 49,2-42,7% и 42,8-38,9% при воздействии в течение 6,12 и 24 час соответственно.
