Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение физиолого-биохнмическнх аспектов повреждения и адаптации растений в экстремальных условиях является одним из наиболее интересных и важных направлений современной фитофизиологии, продолжающим традиции отечественной школы экофизиологов Н.А.Максимова. Б послезнее время заметную роль в его развитии играют исследования механизмов неспецифической устойчивости [Петровская-Баранова, 1983] или экорезистентнсстн [Кириченко, 1984], важные в теоретическом и практическом отношениях.
Формирование новых представлений об универсальных принципах устойчивости живых систем и ее нарушений под действием неблагоприятных факторов среды отражает общую тенденцию к синтезу ранее не связанных ируг с другом взглядов и в целом свидетельствует о повышении теоретического уровня данной проблемы. В частности, они открывают широкие возможности для использования системного подхода [Шорников, 1984] в изучении жизнедеятельности растительного организма и люсобствуют целостному восприятию его структуры и функций.
Практически развитие этих исследований оправдано их непос-іедствеїшьім отношением к задачам интродукции и отбора перспективных :ельскохозяйствепных и других полезных растений, особенно актуальным в районах Крайнего Севера, где антропогенная деятельность влечет за собой іаиболее негативные экологические последствия [Калабин, 1993]. /величение разнообразия используемых растительных форм, как один из іажньїх путей оптимизации взаимоотношений человека с природой, в іастоящее время требует привлечения более совершенных методов прогноза 'стойчивости и продуктивности растений в новых условиях существования. Гак как антропогенное воздействие часто приводит к непредсказуемым вменениям внешней среды, решение этой задачи должно быть связано с пучением реакций, неспецифически отражающих уровень стресса мстительного организма, или его неспецифическую устойчивость к действию [еблагоприятньгх факторов.
По современным представлениям, к реакциям этого рода относится іерекисное окисление лштидов (ПОЛ), представляющее одни из типов вободнорадикального окисления (СТО) биологических молекул Владимиров, Арчаков, 1972]. В настоящее время имеется обширный тактический материал, подтверждаюнгдй идею об универсальном характере
ПОЛ как молекулярной основе стресса [Halliwell, 1974, 1979; Halliwell Gutteridge, 1984; Hendry, Crawford, 1994] и стареній [Hamian, 1956; Gordon 1974] биологических систем, однако к началу данной работы значенні свободнорадикальных процессов для развития низкотемпературны: повреждений холодостойких растений не было определено. Кроме того, ужі более 20-ти лет назад были получены данные об участии ПОЛ в изменения: баланса ингибнрующих и стимулирующих гормонов [Burden, Taylor, 19701 что, как известно, играет ключевую роль в адаптациях растений і экстремальным условиям среды обитания [Якушкина, 1985]. Двойствешюст физиологических эффектов активации ПОЛ дала основание предполагав что эта процессы имеют непосредственное отношение к выбору растителі. ного организма между альтернативами повреждения или приспособления, одной стороны, и между активной или пассивной адаптационным стратегиями [Зауралов, 1981] - с другой.
Учитывая классические представления Н.П.Креике [1940] возрастной зависимости ответных реакций растительного организма н действие экстремальных факторов внешней среды, а также фундаментальну! роль СРО в процессах старения [Канунго, 1982], можно было думать, чт возрастной статус растения оказывает влияние на характер взаимоотпошени между составляющими этих оппозиций.
Таким образом, изучение роли процессов СРО в формировали патологических и адаптивных реакций на экстремальные условия внешне среды в аспекте возрастной изменчивости представлялось одним і перспективных путей дальнейшего развития копцепщш неспецифически механизмов повреждения и устойчивости растений.
С практической точки зрения, целесообразность проведения тако работы иа Кольском полуострове определялась неблагоприятна экологической обстановкой в этом регионе [Крючков, Макарова, 1989 вызывающей необходимость расширения используемого в хозяйственных декоративных целях ассортимента растений [Иванова, 1991]. Кроме tod хорошо выраженные пространственные градиенты комплексного дейетві: естественных и антропогенных экстремальных факторов вместе замедленными темпами развития растений в Мурманской области давал возможность использовать ее территории в качестве естественного полигон удобного для изучения всего спектра ответных реакций от катастрофически повреждений до адаптивных модификаций.
Цель работы. В соответствии с вышесказанным, главной целью
істоящей работы было изучение фнзнолого-биохимическнх основ чза-
моотношений повреждения и адаптивных реакций растительного организма
аспекте его физиологического возраста [Чернов, 1963] в экстремальных
;ловиях Крайнего Севера, на примере Кольского полуострова .
Задачи. Для достижения этой цели были поставлены следующие лювные задачи:
доказательство участия ПОЛ в повреждениях холодостойких астений низкими температурами и выяснение молекулярных основ на-альных этапов пшотермического повреждения мембран ассимилирующих саней;
выяснение связей окислительного метаболизма ненасыщенных ІШПДОВ с модификациями состав пигментов н растворимых белков;
определение основных режимов синтеза/окисления ненасыщенных ембрапных липидов при изменении интенсивности действия неб-ігоприятньїх факторов от адаптоиндупирующей до повреждающей, с пользованием пшотершга в качестве модельного фактора;
доказательство существования аналогичных режимов ответных закций при действии естественных и антропогенных факторов внешней )еды Кольского Севера и выяснение доминирующих в эти условиях іаптивньгх эффектов на мембранном уровне;
изучение связей различных режимов синтеза и окисления не-ісьішешшх липидов с функциями роста, покоя н стареїтя растительного эганизма;
- доказательство участия ПОЛ в регуляции гормонального баланса у
істеїпга и выяснение структурночрункциональных характеристик этого
:ханнзма;
- доказательство возрастной зависимое основных режимов
штеза/окисления липидов и активпости свободнорадикального механизма
:гуляции гормонального баланса;
- выяснение структурных основ возрастной изменчивости этих
упкций на субклеточном уровне.
Защищаемые положения.
1. Повреждения растепий естественными и антропогенпыми экс-іемальньши факторами среды промышлепно-развптых районов Кольского ;вера связаны с активацией процессов перекисного окисления липидов павы 2,3).
2. Криоиндуїшровашіое перекисное окисление в фотосинтезируюшн:
тканях холодостойких растений включает светозависнмые и тешювы
процессы. Оно связано с гидролитической трансформацией мембранны
лнпидов, разрушением зеленых и желтых пигментов и модификациям
состава растворимых белков (глава 2).
-
В условиях низкотемпературного воздействия спектр изменени метаболизма ненасьнцешіьіх лишщов при переходе от аданпшных реакций стрессовым включает активацию синтеза при шігибнровашш ПОЛ, синфазш>і возрастание или иншбировшше обеих активностей, повышешш активности ПО. при ишибировании синтеза. Синфазное подавлеіше синтез? и окисленії свойственно, кроме того, глубоким стадиям іювреждеїшя (глава 2).
-
При действии основных повреждающих факторов Кольскої Севера (низкие температуры летнего периода, комплекс условий ш резимовхн, техногенное загрязнение) сішфазіше стимуляция или ш гибирование синтеза/переокисления ненасьпденных липидов являютс распространенными адаптивными реакшіями растений на мембранном урокі (глава 3).
-
В фотосинтезируюших тканях эти режимы связаны с высокс активностью ростовых процессов или их прекращением на определение стадии вегетационного периода. В тканях зимующих почек древеснь растений синфазные вариации синтеза/переокисления коррелируют поддержанием устойчивого состояния покоя (глава 4).
-
В листьях и зимующих почках функционирует СРО-зависнмь механизм регуляции гормонального баланса, действие которого связано повышением или снижением концентрации активной АБК в присутстві свободных ненасыщенных жирных кислот. Активация мехашвма сопровождает! синфазными изменениями интенсивности сіштеза/переокислешія ненасьіщешіь лишщов. В фотосинтезируюших тканях тип его активности зависит от возраст В тканях почек его эффекты проявляются в периоды наиболее вьіражешіь изменений глубины зимнего покоя (глава 5).
-
В фотосинтезирующих тканях возрастная изменчивость характе] взаимодействия синтеза/переокисления ненасыщенных липидов и тш активности механизма СРО-зависимого метаболизма АБК связана вариациями ультраструктуры хлоронластов. Эти вариации принимают участі в выборе между активной или пассивной адаптапиями на субклеточне уровне (глава 6).
Научная новизна. В результате изучения процессов свободно-адикалыюго окисления разработана концепция мембранных механизмов овреждения и адаптации растений в экстремальных условиях Кольской "убарктнки, связывающая регуляцию балапса ннгибирующих и тамулиругощих гормонов с метаболизмом ненасыщенных линидов, и тип дапташюнной стратепш - с возрастным состоянием растения.
При этом впервые установлено, что процессы ПОЛ играют важную оль в низкотемпературных повреждениях холодоустойчивых растений и нормировании стрессовых реакций, вызванных действием наиболее арактерных для данного региона неблагоприятных факторов внешней среды. )пределепы связи между различными режимами синтеза/окисления енасышепных мембранных липидов, возрастным состоянием объекта и ктшяюстью процессов его жизнедятелъпостн.
На примере многолетних злаков показано существование фнзио-огической полярности растительного организма применительно к типу даптивных перестроек мембранных структур в экстремальных условиях.
Впервые установлено, что в листьях и зимукшшх почках высших астений существует зависимый от свободных полиненасыщеных жирных ислот механизм регуляции уровня АБК или подобных гормонов, функ-иопирующий в режимах увеличения или уменьшеїшя концентрации ак-ивных форм этих соединений при участии процессов ПОЛ. Для фото-интезирующих тканей определена возрастная зависимость изменений его ктнвности.
Результаты настоящей работы являются подтверждеігаем идей [.П.Креике о возрастноіі цикличности структурных и функциональных ерестроек растительного организма па современном фпзполого-био-имическом уровне. Показана связь определенпых типов адаптивных реакций астения с возрастными модификациями субклеточных структур и редложена ее интерпретация.
Практическое значение работы. Результаты настоящей работы лгользованы для разработки метода оценки зимостойкости многолетних іаков в условиях Мурманской области [Жиров и др., 1984J и могут рименяться для создания новых методов прогноза реакций растения в менявшихся условиях существования и определения критических уровней пропогепных нагрузок.
Возрастная изменчивость предрасположенности к определенному -ставному или пассивному - типу адаптивных перестроек позволяет
определить доминирующее направление изменений продуктивности конкретного растительного объекта в неблагоприятных условиях на основе анализа биохимических параметров, характеризующих его возрастной статус, при моделировании действия экстремальных факторов окружающей среды в лабораторных экспериментах.
Наряду с этим, полученные данные могут быть использованы для создания новых технологий регуляции продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных и декоративных растений в экстремальных условиях Крайнего Севера биологически активными веществами гормонального тина действия. В частности, пассивные приспособительные реакции у вегетирушцих растении могут быть индуцированы изменением физиологического возраста этиленнродуцентами или цитокининовыми препаратами после предварительной оценки возрастного состоянш конкретного объекта по вышеупомянутым методикам. Возможно, чт< эффекты сдвига физиологического возраста растений могут быть достигнуть при использовании препаратов, непосредственно воздействующих на развитт фан хлоропластов их листьев.
Другими направлениями практического использования результате) работы являются разработка методов оптимизации режимов криоконсервацш растительных продуктов питания с целью повышения их качества, а такжі сравнительная оценка токсикогенности окружающей среды в зона: промышленного воздействия по реакциям однолетних растений используемых в качестве модельных объектов.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены : обсуждены на следующих научных собраниях: региональных конференция по изучению проблем рационального использования северных ресурсо (Архангельск, 1978; Сыктывкар, 1979, 1981; Апатиты, 1979, 1989; Якута 1985); Всесоюзных конференциях молодых ученых (Тбилиси, 1979; Риг; 1987; Ялта, 1993; Апатиты, 1993); Всесоюзной конференции по проблема повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условия среды (Ленинград, 1981); совещании по проблемам физиологии и биохими древесных растений (Красноярск, 1982); Всесоюзной конференции и проблемам фотосинтеза (Киев, 1983); конференции "Актуальные задач физиологии и биохимии растений в ботанических садах (Пущино, 1984 совещании "Устойчивость к неблагоприятным факторам среды продуктивность растений" (Иркутск, 1984); конференции "Адапташ организмов к условиям Крайнего Севера" (Таллипп, 1984); совещаш
'Экологические и физиолого-биохнмические аспекты антронотолерантности -тстений" (Таллин, 1986); Международном'совещании "Свободные радикалы і химии, биологии і! медицине" (Санкт-Петербург, 1991); Международном ювещаннп "Aerial Pollution in Kola Peninsula" (Санкт-Петербург, 1992); Международной конференции "Промышленная ботаника" (Кривой Рог, 1993); Всероссийском съезде общества физиологов (Санкт-Петербург, 1993); Международной конференции "Global Change and Arctic Terrestrial Ecosystems" (Оппдал. Норвегия, 1993); Международной конференции циркумполярных университетов (Принс-Джордж, Канада, 1995); 6-м международном симпозиуме [ОВР (Тромсе, Норвегия, 1995); 2-й циркумполярной сельскохозяйственной конференции (Тромсе, Норвегия, 1995); Международном симпозиуме НАТО "Disturbance and Recoveiy of Northern Ecosystems" (Рованиеші, Финляндия, 1995); Международной конференции "Land Use Changes and Nature Conservation in Central and Eastern Europe" (Вильнюс, Литва, 1996); Рабочем совещании "Nature Reserves Hid Forestry Management" (Иннари, Финляндия, 1996); 2-й Международной <онференции "Oxygen. Free Radicals and Environmental Stress in Plants " (Beta, Австрия, 1996).
Публикации. Результаты работы представлены в 51-й публикации в этечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 3-х монографиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общего заключения, выводов, списка литературы (673 названия), и :писка условных обозначений. Во введении кратко изложены представления з неспецифігческих механизмах повреждения и адаптации растепігіі, ^топологические аспекты теории свободпорадикального окисления мембранных липидов и возможная роль этих процессов в макроэффектах іействпя экстремальных факторов внешней среды у высших растений. На пои основе сформулированы главные цель и задачи исследования. В первой лаве даны описание климатических и антропогенных условий Мурманской >бласти, перечень использовавшихся объектов и описание применявшихся методов. В начале каждой экспериментальной главы (2-6) изложены :онкретные задачи, перечню которых в главах 2, 5 и б предшествует обзор гптературы. Каждый из лопгчески законченных разделов экспериментальных лав и сами главы завершаются обсуждением полученных результатов, щесертация закапчивается обпшм заключением и выводами. Работа ізложепа на 512 страшщах, включая 78 рисунков и 80 таблиц.
