Введение к работе
Актуальность темы. Проблема адаптации растений к меняющимся условиям среды находится в центре внимания современной физиологии и биохимии. Одним из негативных факторов среды является засоление почв - важная проблема, приводящая к снижению биоразнообразия и продуктивности растений. По данным Минсельхоза РФ на 2010 год засоленные почвы составляли 7-13% площадей сельскохозяйственный угодий нашей страны, а солонцовые - 11-13%. По прогнозам к 2050 г значительному засолению могут подвергнуться более 50% возделываемых территорий (Кошкин, 2010).
Большинство растений чувствительны к засолению (Балнокин и др., 2005). В условиях повышенной концентрации ионов Na и СГ в корнеобитаемом слое ингибируется рост и развитие растений, нарушается их водный статус, ионный гомеостаз и т.д. (Flowers, 2004). Изменение активности ряда физиологических процессов, проявляющееся в условиях засоления, сопровождается структурно-функциональными изменениями фотосинтетического аппарата, дыхательного газообмена (Meneguzzo, 1999).
На протяжении долгого времени адаптацию растений к засолению рассматривали через призму регуляторных механизмов поддержания ионного и осмотического гомеостаза (Веселов и др., 2007). В метаболизме клеток, подверженных действию стрессора, изменяется работа ионно-транспортных систем, происходит накопление осмолитов и осмопротекторов: пролина, аланина, бетаина, маннитола и др. (Балнокин, 2005). Повышенная концентрация NaCl в среде приводит к окислительному стрессу, сопряженному с избыточной генерацией активных форм кислорода (АФК), в том числе наиболее стабильного и способного диффундировать от места образования - пероксида водорода (Mittler, 2002). В результате активной генерации АФК в клетках может произойти окисление белков, липидов, углеводов, повреждения ДНК и РНК, дезорганизация цитоскелета (Finkel, Holbrook, 2000; Scandalios, 2002; Колупаев, 2007). Окислительный стресс рассматривают как нарушение внутриклеточного баланса между про/антиоксидантными системами, а устойчивость к окислительному стрессу - в качестве компонента солеустоичивости (Ху, Лиу, 2008).
Чувствительность растений к засолению обусловливает актуальность исследований физиолого-биохимических механизмов проявлений солевого стресса и противодействия ему. В последнее десятилетие значительно выросло число публикаций, касающихся выяснения механизмов адаптации растительных организмов, позволяющих им выживать в условиях засоленной среды (Балнокин и др., 2004; Балнокин и др., 2005; Мохамед и др., 2006; Орлова и др., 2009). При этом в научной литературе недостаточно сведений о комплексе NaCl-индуцированных физиологических процессов, определяющих продуктивность гликофитных растений (фотосинтез, водный обмен, про/антиоксидантная система и некоторые другие), а имеющиеся сведения разрознены и неоднозначны (Костюк и др., 1994; Леонова и др., 2005).
Выбор тритикале (xTriticosecale Wittm. & A. Camus) в качестве объекта исследований обусловлен её высоким адаптационным потенциалом к неблагоприятным факторам внешней среды, в том числе к условиям засоленных и засушливых земель.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение особенностей развития солевого стресса и индукции защитных реакций растений тритикале на ранних этапах онтогенеза в условиях натрий-хлоридного засоления.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
исследовать динамику показателей водного обмена и особенности накопления неорганических ионов и пролина в тканях тритикале при засолении;
изучить функциональное состояние фотосинтетического аппарата тритикале в условиях натрий-хлоридного засоления;
исследовать динамику NaCl-индуцированного образования пероксида водорода и интенсивности перекисного окисления липидов в органах тритикале;
изучить ферментативную составляющую антиоксидантной системы разложения пероксида водорода (аскорбатпероксидаза, гваяколовая пероксидаза, каталаза) в органах тритикале в условиях солевого стресса. Положения, выносимые на защиту:
1. Механизмы регуляции устьичной транспирации способствуют поддержанию относительно стабильного уровня оводненности тканей и предотвращению активного
транспорта токсичных ионов (Na и СГ) внутрь растения с транспирапионным током до 48 часов экспозиции тритикале на солесодержащей среде.
-
Аккумуляция неорганических ионов и пролина после 48 часов экспозиции в среде с повышенным содержанием NaCl происходит преимущественно в тканях побега.
-
Повышенное содержание ионов Na и СГ в среде приводит к изменению интенсивности фотосинтеза, количества и соотношения фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов), изменению скорости восстановления ДХФИФ, временная динамика величин которых отражает двухфазный характер ответа растений на действие солевого стресса.
4. Присутствие хлорида натрия в среде инициирует развитие в корнях и
побегах тритикале окислительного стресса, выражающегося в:
^ генерации избыточных количеств пероксида водорода;
интенсификации процессов перекисного окисления;
изменении активности антиоксидантных ферментов (аскорбатпероксидаза, гваяколовая пероксидаза, каталаза).
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование физиолого-биохимических механизмов проявлений солевого стресса и ответных реакций у тритикале на ранних этапах онтогенеза. Поступление и накопление неорганических ионов, а также синтез пролина в условиях хлоридного засоления происходят преимущественно в тканях побегов в фазу адаптации. Показано, что в побегах и корнях тритикале происходят NaCl-индуцированные изменения уровня пероксида водорода, интенсивности процессов перекисного окисления липидов и активности антиоксидантных ферментов (аскорбатпероксидазы, гваяколовой пероксидазы и каталазы). Показано, что стрессовый ответ тритикале на продолжающееся засоление носит двухфазный характер, включающий фазу стресс-реакции (до 12-24 часа) и фазу адаптации (48-72 часа).
Теоретическое значение. Материалы диссертационного исследования дополняют и расширяют современное понимание механизмов, лежащих в основе устойчивости живых организмов. В частности, полученные данные могут быть использованы при разработке агротехнических, селекционно-генетических методов
повышения устойчивости растений к солевому стрессу с использованием новых фундаментальных знаний о механизмах солеустойчивости.
Практическая значимость. Полученные результаты важны для понимания принципов регуляции водного обмена, фотосинтеза и функционирования про/антиоксидантной системы, взаимодействия этих процессов в обеспечении жизнедеятельности растений в условиях солевого стресса. Изученные характеристики (содержание и соотношение фотосинтетических пигментов, величина ПОЛ, компоненты антиоксидантной системы, показатели водного обмена и фотосинтеза) могут быть использованы при определении устойчивости других видов и сортов сельскохозяйственных растений в условиях хлоридного засоления.
Представленные в диссертационной работе результаты используются в учебном процессе дисциплин факультета естественных наук ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого» в курсах лекций: «Физиология растений», «Экология растений», «Биохимия и основы биорегуляции организмов».
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Результаты работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях: III международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2011 г.); V региональной научно-практической конференции аспирантов, соискателей и молодых ученых «Исследовательский потенциал молодых ученых: взгляд в будущее» (Тула,2011 г.); Международной научно-практической конференции «Современная наука: тенденции развития» (Краснодар, 2012); III Международной научно-практической конференции «Проблемы современной биологии» (Москва, 2012); Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых. «Биология -наука 21 века» (Пушино, 2012); VIII Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, соискателей и молодых ученых «Исследовательский потенциал молодых ученых: взгляд в будущее» (Тула, 2012); Международной летней экологической школе MOSES-2012 (Москва, 2012).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 105
страницах и содержат 2 таблицы и 9 рисунков. Список цитируемой литературы включает 239 наименований в т.ч. 135 иностранных.
