Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эколого-физиологические и биохимические аспекты адаптации растений к стрессу 9
1.1. Адаптация растений к избытку тяжёлых металлов в окружающей среде 9
1.1.1. Токсическая роль тяжелых металлов в системе растения - окружающая среда 9
1.1.2. Физиологические механизмы инактивации тяжёлых металлов... 15
1.1.2.1. Задержка ростовых процессов 16
1.1.2.2. Нарушения фотосинтеза и дыхательного метаболизма 18
1.1.2.3. Действие на системы ионного транспорта 22
1.1.2.4. Воздействие на липиды 23
1.1.2.5. Изменение активности ферментов 25
1.1.2.6. Образование комплексующих агентов 28
1.1.2.7. Биологическая роль пролина при стрессе 29
1.1.2.8. Роль корней в формировании механизма устойчивости растений к тяжелым металлам 31
1.1.3. Классификация и специфичность растений по металлоустойчивости 33
1.2. Адаптация растений к изменяющимся условиям среды (недостаток элементов минерального питания растений) 35
1.3. Энергетические аспекты адаптации растений 36
1.3.1. Интенсивность процессов фотосинтеза и дыхания при изменении условий среды 36
1.3.2. Функциональные составляющие дыхательного газообмена растения 41
1.3.3, Соотношение альтернативных биохимических путей дыхательного обмена растений 47
Глава 2. Объекты и методы проведения исследований 56
2.1. Объекты исследований 56
2.2. Условия выращивания растений 56
2.3. Морфофизиологические характеристики и параметры продуктивности 58
2.4. Определение интенсивности дыхания и активности альтернативных терминальных путей дыхательного обмена 60
2.5. Метод специфических ингибиторов путей дыхательного обмена 64
2.6. Определение активности пероксидазы и каталазы 65
2.6.1. Определение активности гваяколпероксидазы 65
2.6.2. Определение активности каталазы 66
2.7. Определение содержания малонового диальдегида 67
2.8. Определение накопления пролина 67
2.9. Определение содержания металлов 68
Глава 3. Общность и поливариантность механизмов устойчивости растений при стрессе 70
3.1. Формирование адаптации к повышенному содержанию цинка 70
3.1.1. Характеристика морфофизиологических параметров у растений, выращенных в условиях избыточного содержания цинка 70
3.1.2. Интенсивность темнового дыхания и энергетические затраты у растений, выращенных в условиях избыточного содержания цинка ... 76
3.1.3. Соотношение путей дыхательного обмена у растений, выращенных в условиях избыточного содержания цинка 79
3.2. Формирование адаптации к повышенному содержанию меди 86
3.2.1. Характеристика морфофизиологических параметров у растений, выращенных в условиях избыточного содержания меди 86
3.2.2. Интенсивность темнового дыхания и энергетические затраты у растений, выращенных в условиях избыточного содержания меди 90
3.2.3. Соотношение путей дыхательного обмена у растений, выращенных в условиях избыточного содержания меди 92
3.3. Формирование адаптации при дефиците элементов минерального питания 96
3.3.1. Характеристика морфофизиологических параметров у растений в разных условиях минерального питания 96
3.3.2. Интенсивность темнового дыхания и энергетические затраты у растений в разных условиях минерального питания 100
3.3.3. Соотношение путей дыхательного обмена у растений, выращенных в условиях дефицита элементов минерального питания 102
3.4. Антиоксидантная система в структуре адаптации к избытку тяжелых металлов 106
3.4.1. Антиоксидантная система в структуре адаптации к избытку цинка 106
3.4.1.1. Изменение ростовых показателей у растений, выращенных в условиях избыточного содержания цинка 106
3.4.1.2. Влияние цинка на активность пероксидазы и каталазы... 106
3.4.1.3. Влияние цинка на процессы перекисного окисления липидов и накопление свободного пролина 107
3.4.1.4. Содержание цинка в побегах и корнях растений, выращенных в условиях избыточного содержания его в среде 108
3.4.2. Антиоксидантная система в структуре адаптации к избытку меди 110
3.4.2.1. Изменение ростовых показателей у растений, выращенных в условиях избыточного содержания меди 110
3.4.2.2. Влияние меди на активность пероксидазы и каталазы..,. 110
3.4.2.3. Влияние меди на процессы перекисного окисления липидов и накопления свободного пролина исследуемыми растениями 110
3.4.2.4. Содержание меди в побегах и корнях растений, выращенных в условиях избыточного содержания его в среде 111
Заключение 113
Выводы 118
Литература 120
Приложение 158
- Интенсивность процессов фотосинтеза и дыхания при изменении условий среды
- Определение интенсивности дыхания и активности альтернативных терминальных путей дыхательного обмена
- Интенсивность темнового дыхания и энергетические затраты у растений, выращенных в условиях избыточного содержания цинка
- Соотношение путей дыхательного обмена у растений, выращенных в условиях дефицита элементов минерального питания
Введение к работе
Актуальность темы. Соли металлов в окружающей среде являются мощным экологическим фактором, оказывающим влияние на физиолого-биохимические процессы в растительных организмах. Как избыток, так и недостаток многих макро - и микроэлементов может вызывать целый ряд негативных процессов, таких как нарушение дыхания, фотосинтеза, фиксации и ассимиляции некоторых главных питательных веществ (Ильин, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Демидчик и др., 2001; Singh et al., 2005).
Общей реакцией живых систем на отклонение условий среды от оптимальных является активизация адаптивных механизмов к изменившимся условиям. Ранее было показано, что для каждого вида растений вырабатываются характерные механизмы устойчивости, представляющие комплекс морфо-физиологических и биохимических приспособлений, через которые реализуется адаптивная стратегия (Grime, 1988; Миркин, 1999; Усманов и др., 1990, 2001; Рахманкулова и др., 2001). Известно, что от эффективности использования растением материально-энергетических ресурсов зависит успех адаптации растений (Жученко, 1988; Усманов, 1987), Однако оценка энергетической эффективности таких затрат представляет собой сложную задачу (Се-михатова, 1998; Рахманкулова, 2001). При изменении условий среды может происходить смена соотношений альтернативных путей дыхательного метаболизма (Шугаев, 1999; Меденцев и др., 1999; Федяев, 2002). Изменение направления и величины соотношений альтернативных путей дыхательного метаболизма характеризует энергетическую эффективность трат на адаптацию (Рахманкулова и др., 2003).
Одним из главных проявлений токсического действия избытка тяжёлых металлов (ТМ) является окислительный стресс (Prasad et al., 1999; Cli-jsters et al., 1999; Cuypers et al., 1999; Schutzendubel, Polle, 2002). Возникающие при стрессе активные формы кислорода (АФК) изменяют активность эн-зиматических антиоксидантных защитных систем (Chen et al., 2000; Ванюшин, 2001; Malecka et al., 2001; Erdei et al., 2002; Wang et al., 2004). Имеются
данные об увеличении степени вовлечённости альтернативной оксидазы в дыхание при стрессе, что препятствует накоплению активных форм кислорода (АФК) (Шугаев, 1999; Maxwell et al., 1999).
Цели и задачи исследования. Цель исследования состояла в выяснении особенностей формирования адаптации представителями разных видов растений при стрессе (избыток цинка и меди, дефицит элементов минерального питания).
Для достижения указанной цели ставились следующие задачи:
Исследование морфометрических параметров растений видов ТгШ-cum aestivum L., Zea mays L., Dactylis glomerata L., Leonurus quinquelobatus Gilib., и растений в пределах одного вида Calendula officinalis L. на примере трех сортов: Кальта, Каблуна Голд и Калифорнийская в изменяющихся условиях (избыток цинка и меди, дефицит элементов минерального питания). .
Изучение реализации в данных условиях адаптационного потенциала исследуемых растений на уровне энергетических параметров.
Исследование включения адаптационных защитных механизмов на уровне биохимических процессов у растений Т. aestivum и Z mays.
Научная новизна работы. Впервые у представителей разных видов растений проведен сравнительный анализ соотношения дыхательных путей в условиях стресса (повышенного содержания цинка, меди и дефицита элементов минерального питания). Изучены пути формирования стресс - индуцированного адаптационного ответа растений на уровне морфофизиологических и биохимических параметров.
Теоретическое значение. Материалы диссертационного исследования дополняют и расширяют современное понимание механизмов, лежащих в основе развития устойчивости растений.
Практическое значение. На основании данных могут быть выработаны рекомендации при выращивании растений на территориях загрязнённых тя-
жёлыми металлами. Полученные в работе материалы могут быть использованы при чтении лекций по общему курсу экологической физиологии растений и спецкурсам.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на конференции молодых ученых «Проблемы физиологии растений и генетики на рубеже третьего тысячелетия» (2000, Киев), научной конференции по научно-техническим программам Минобразования России (Уфа, 2000), 5-ой Пущинской конференции молодых учёных (Пущино, 2001), годичном собрании Общества физиологов растений России «Экспериментальная биология растений 2001» (Уфа, 2001), 4-ом международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2001), международной конференции по экологической физиологии растений «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке» (Сыктывкар, 2001), международном симпозиуме «Растение под влиянием стресса», (Москва, 2001), VI международном симпозиуме «Ионы металлов и растения» (Санкт-Петербург, 2002), 13-ом конгрессе FESPP (Греция, 2002), 21-ом конгрессе Scandinavian Plant Physiology Society (Дания, 2003), 5-ом международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2003), 7-ой Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука 21-го века» (Пущино, 2003), 5-ом Съезде Всероссийского общества физиологов растений, международной конференции «Физиология растений - основа фитобиотехноло-гии», (Пенза, 2003), Региональной научно-практической конференции «Технология выращивания и использование лекарственных культур», (Уфа, 2003), XI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2004», (Москва, 2004), Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды», (Уфа, 2004), XIII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2006», (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы.
Интенсивность процессов фотосинтеза и дыхания при изменении условий среды
В некоторых литературных источниках для описания количественного соотношения дыхания и фотосинтеза используется нахождение доли дыхательных затрат за ночные часы от дневной продуктивности нетто-фотосинтеза (Poorter et al., 1990; Atkin et al., 1996), при этом должны учитываться различные факторы, которые могут повлиять на энергетический баланс целого растения (Рахманкулова, 2002). Большинством авторов используются величины, показывающие долю дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза (Pg), который из-за сложности измерения составляющих газообмена прямыми методами, рассматривают как сумму суточной продуктивности нетто-фотосинтеза (Рп) или прироста биомассы (W) и дыхательных затрат (R) (Головко, 1983; Головко, 1999).
Величина соотношения R / Pg может варьировать в пределах от 0,3 до 0,8 (Amthor, 2000), но у большинства видов растений в период активного роста в среднем равна 0,3 - 0,6 (Головко, 1999); по мнению Cannel M.G.R. и Tornley J.H.M. (2000) в интервале 0,35 - 0,45. Однако имеются данные и о постоянстве соотношений R / Pg у разных растений в оптимальных для роста и развития условиях среды (Чмора, Слободская, 1985; Мурей, Рахманкулова, 1990). Величина R / Pg в оптимальных условиях среды составляла 0,40 у Сз -растений (Чмора, Слободская, 1985), у овса (Головко, 1985), у пшеницы (Леина, Юдина, 1982); 0,37 - 0,41 у lea mays L. (Мурей, Рахманкулова, 1990); 0,38-0,41 Beta vulgaris L, (Мурей, Рахманкулова, 1990).
Эксперименты, проводимые в оптимальных стационарных условиях фитотрона на моновидовых посевах целых неповрежденных растений, позволили выявить и количественно оценить составляющие дыхания. На опытах с кукурузой, подсолнечником, сахарной свеклой показано, что в вегетативную фазу роста при оптимальных условиях выращивания соотношение R / Pg составляло примерно 40 %, что свидетельствует о видонеспецифичности этих показателей у растений (Мурей, Рахманкулова, 1990; Мурей, Шульгин, 1979).
Величина R / Pg находится во взаимосвязи с эффективностью роста: R / Pg— 1 — КЭР, где КЭР - коэффициент эффективности роста по Tanaka (1972) (Головко, 1983; 1999). При стрессе происходит перераспределение энергетических и пластических ресурсов. При этом отношение R / Pg увеличивается за счет возрастания адаптационной составляющей дыхания поддержания, которая тем больше, чем менее устойчиво растение к данным условиям (Семиха-това, 1995; Усманов и др., 2001). Таким образом, соотношение R / РЁ и некоторые составляющие баланса сухого вещества растения характеризуют степень реализации продукционного потенциала и способность растений адаптироваться к изменяющимся условиям среды, что в свою очередь зависит от согласованности процессов фотосинтеза, дыхания и роста (Усманов и др., 2001; Головко, 1999; Кузнецов и др., 2000).
Как правило, при неблагоприятных внешних условиях доля дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза возрастает за счет повышения дыхательных затрат (дыхание поддержания) (Головко, Семихатова, 1980) или ингибирова-ния фотосинтеза (Головко, 1999). То есть, при стрессе отмечается снижение оттока ассимилятов из фотосинтезирующих тканей (Гамалей, 1996), что на фоне нормального фотосинтеза вызывает увеличение их резервного пула и увеличение интенсивности дыхания - I этап стресса (обратимый). При прогрессирующем стрессе дыхание и резервирование ассимилятов достигает насыщения, и фотосинтез начинает подавляться - II этап стресса (Усманов и ДР., 2001).
Изменение данной величины было отмечено при повышении температуры (Tjoelker et al., 1999; Woodwell 1983, 1990); при дефиците некоторых элементов минерального питания (Natr, 1969; Куперман, 1984; Field, Mooney, 1986; Evans, 1989; Головко, Добрых, 1993; Рахманкулова и др., 2000); при повышенном уровне азота (Osada, 1966; Pearman et al., 1981; Куперман и др., 1983; Головко, Гармаш, 1997); при прогрессирующем обезвоживании (Куперман, Хитрово, 1977; Wilson et al., 1980). В литературе имеются также данные о снижении доли дыхательных затрат от фотосинтеза (Amthor, 2000). Растения зернового сорго, выращенные при высокой освещенности, характеризовались сниженным водным потенциалом, что приводило к уменьшению R / Pg (Ludlow, Ng, 1977; McCree et al., 1984; Richardson, McCree, 1985). В данном случае происходило усиление процессов запасания продуктов фотосинтеза, что требует меньших дыхательных затрат, чем включение их в структурную биомассу. При последующем поливе растений дыхание резко увеличивалось, что сопровождалось возобновлением роста площади листовой поверхности. Продолжительность светопериода меньше влияла на R/ Р& чем степень освещенности. Несмотря на это, было отмечено, что эффективность роста повышалась с увеличением длительности фотопериода, вследствие накопления части ассимилятов в запасных фондах (Hansen, Jensen, 1977). Уменьшение освещенности (30 % от естественной) достоверно не изменяло величину соотношения R / Pg, хотя имело место изменение абсолютной величины видимого фотосинтеза и дыхательных затрат. При этом отмечалось снижение накопления биомассы и площади листьев растений. При освещенности в 60 % от естественной, растения имели продуктивность фотосинтеза на уровне контрольных, но величина R у них была существенно ниже, поэтому и соотношение R / Pg (0.30) меньше, чем в контроле (0.45) (Головко, Гармаш, 1997). Уменьшение величины соотношения R / Pg отмечалось и при понижении температуры, в основном за счет снижения интенсивности дыхания (Winzeler et al., 1976; Sawada, 1970). В работе Hughes L. A. P. и Cockshull К. E. (1972) показано, что независимо от температурных условий у растений Chrysanthemun morifolium RI Pg, было ниже при повышенной концентрации С02. Увеличение интенсивности фотосинтеза (на 53 %) и снижение дыхания (на 24 %) в условиях двукратного увеличения концентрации С02, показано в работе Пухальской Н.В. (1997), Следовательно, при длительном выращивании в условиях повышенного содержания СОг наблюдается снижение дыхания растений вследствие увеличения содержания неструктурных углеводов, снижения концентрации белка и минеральных элементов (Головко, 1999).
Как правило, в первые одну - две недели гетеротрофного развития проростков энергетические и пластические потребности роста обеспечиваются только дыханием. У молодых, активно растущих растений, величина соотношения R / Pg обычно составляет 30 - 35 %. С возрастом в биомассе растения начинает преобладать доля гетеротрофных тканей, что приводит к повышению величины R / Pg. Таким образом, взаимосвязь дыхания с Pg имеет сложный характер и описывается петлеобразной кривой (Головко, 1988; Се-михатова, 1988).
Определение интенсивности дыхания и активности альтернативных терминальных путей дыхательного обмена
Определение интенсивности суммарного темнового дыхания (IR) и его функциональных составляющих проводили манометрическим методом на аппарате Варбурга WA ОНО (Германия) (Семихатова, Чулановская, 1965; Гавриленко и др., 1975). Основным условием использования метода для изучения дыхания, где участвуют два газа (Ог и СОг), является регистрация изменений давления только одного газа. Парциальное давление другого газа (в нашем случае СОг) искусственно приводится к нулю, путем связывания его, находящимся в замкнутой системе 20 %-ым раствором щелочи. Об изменении давления газа в системе судят по уровню состояния манометрической жидкости в открытом конце манометра.
Преимуществом открытой манометрии является то, что изменение давления внутри замкнутой системы происходит относительно атмосферного давления, что позволяет регистрировать небольшие изменения количества кислорода при нормальном его содержании в атмосфере. Однако изменения давления, регистрируемые открытыми манометрами могут быть вызваны не только газообменом объекта в сосудике, но и изменениями внешнего давления и небольшими колебаниями температуры. Для исключения этих погрешностей, используется термобарометр (манометр с сосудиком без опытного материала и газопоглощающих веществ), показания которого служат поправкой к показаниям опытных манометров.
Количество поглощенного или выделенного газа (х) рассчитывается по формуле: где Н - отмеченное по манометру изменение давления в мм манометрической жидкости (исправленное по термобарометру), К - константа манометрического сосудика (коэффициент, позволяющий перейти от давления манометрической жидкости в мм к объему газа в мкл).
Как правило, при определении интенсивности дыхания фиксируют скорость уменьшение концентрации Ог в замкнутой системе, т.к. интенсивность поглощения 02 характеризует скорость терминальных процессов дыхания и отражает общий уровень дыхания, в отличие процесс выделения С02, к тому же кислородный обмен в меньшей степени зависит от степени открытости устьиц.
Манометрический метод позволяет определять газообмен как целого растения, размеры которого позволяют поместить его в манометрический сосудик, так и отдельных органов, и мелких фрагментов растений. При соблюдении методических условий, интенсивность дыхания интактных и фрагмен-тированных растений существенно не различается (Куперман, Хитрово, 1977). Более того, измельченные растения сохраняют те же характерные изменения газообмена, которые отмечаются в естественных условиях у витальных растений в результате воздействия внешних факторов (Бриллиант, 1949). Тем не менее, при разрезании растений на большие или меньшие фрагменты происходит разрушение компартментов клетки, внутренняя среда которых значительно различается по значениям рН. При этом на уровне дыхания наблюдается т.н. «раневой эффект», т.е. значительное усиление поглощения кислорода, снижающееся через некоторое время до уровня характерного для целого растения. Поэтому изучение дыхания пробы растительной ткани следует проводить в течение достаточно длительного периода, чтобы установить динамику происходящих процессов газообмена (Семихатова, 1959). Таким образом, дыхание фрагментированного растения существенно не нарушается, если его измерение проводится по прошествии некоторого периода для исчезновения «раневого эффекта», при оптимальных условиях и длительность опыта не превышает нескольких часов. Манометрический метод удовлетворяет всем указанным условиям.
Для определения интенсивности дыхания целые растения разрезали на фрагменты шириной 2 - 3 мм и полученный материал перемешивали для достаточно равномерного распределения тканей побега и корня. В каждый манометрический сосудик помещали по 300 мг растительного материала. Перед началом непосредственного определения интенсивности дыхания манометрическую систему термостатировали 20 минут, после чего проводили измерение скорости поглощения 02 в течение 2 часов, фиксируя показания манометров каждые 15 минут. Количество поглощенного кислорода выражали в мкл Ог / раст. сут или мг О2 / раст. сут. (Семихатова, Чулановская, 1965).
Изучение функционирования составляющих темнового дыхания осуществляли с помощью метода специфических ингибиторов (Уэбб, 1966; Семихатова 1969) на аппарате Варбурга, используя 14-60 -ти дневные растения. В манометрический сосудик помещали фрагменты растений, подготовленные по описанной выше методике, и приливали по 4 мл раствора ингибитора. Для предотвращения повреждения тканей растения и во избежание искажения результатов вакуумная инфильтрация нами не применялась.
Интенсивность темнового дыхания и энергетические затраты у растений, выращенных в условиях избыточного содержания цинка
Растения являются чуткими индикаторами геохимической среды. При этом рост растения является интегральной характеристикой отражающей степень адаптации растения к условиям окружающей среды (Барсукова, 1997).
В зависимости от условий выращивания ткани растений значительно отличались по степени оводнённости, поэтому расчет и обсуждение параметров проводился на основе значений сухой массы растений.
Ингибирование роста является общим проявлением для растений, связанным с токсичностью цинка (Collins, 1981). При выращивании растений в неблагоприятных условиях наблюдались значительные различия в чувствительности к избытку цинка, что в результате сказывалось на накоплении биомассы. Различия в накоплении растениями сухой массы представлены на рисунке 3.1. В контрольных условиях в течение всего эксперимента масса 28 - ми дневных (фаза третьего листа) растений Z mays превосходила массу растений Т. aestivum, что вероятно обусловлено их принадлежностью к разным типам фотосинтетического метаболизма (Сз - и С4 - типам, соответственно). Известно, что у С4-растений ассимиляция С02 выше, чем у растений с С3 типом метаболизма (Полевой, 1989). Среди 60-ти дневных всходов контрольных растений календулы высокопродуктивным оказался сорт Калифорнийская (рис. З.1.). В условиях стресса, при 1,5 кратном ОДК цинка в среде у растений кукурузы произошло снижение накопления массы в 2 раза; пшеницы и кален дулы сорта Калифорнийская в 1,6 раз, Кальта - в 1,5 раза, а у сорта Каблуна Голд наблюдалось увеличение накопления массы в 1,5 раза. Индекс устойчивости растений Т. aestivum имел значение 0,7 ± 0,02, Z mays L. - 0,5 ± 0,007, растений календулы сорта Кальта - 0,65 ± 0,07, Каблуна Голд -1,3, и сорта Калифорнийская - 0,64± 0,03. Относительная скорость роста (RGR) является одним из главных критериев экологических адаптивных стратегий (Grime, 1979; 1988), который косвенно отражает комплексную систему устойчивости данного растения к конкретному виду стресса (Усманов, 1987). RGR является динамической характеристикой процесса использования накопленной биомассы на создание новых структур растения. У всех исследуемых объектов, кроме сорта Каблуна Голд, при изменении условий выращивания наблюдалось снижение параметра RGR (рис. 3.2.). В оптимальных условиях 28-ми дневные растения пшеницы характеризовались меньшей относительной скоростью роста по сравнению с кукурузой, имеющей наибольшее значение RGR, что вероятно обусловлено различиями в метаболизме данных растений (рис. 3.2.). При 1,5 кратном ОДК Zn в среде растения кукурузы снизили RGR в 9 раз; пшеницы - в 4 раза, проявив себя как более устойчивый по сравнению с кукурузой вид к данному типу стресса. Среди 60-ти дневных контрольных растений вида С. officinalis сорт Кальта имел более высокое значение RGR. При выращивании растений в условиях 3-х кратного превышения ОДК Zn у сортов Кальта и Калифорнийская происходило снижение RGR в 1,7 раз (рис. 3.2.); у сорта Каблуна Голд наблюдалось увеличение RGR в 1,2 раза. потенциально устойчивых объектов к действию цинка и меди вследствие способности к накоплению данных элементов без видимого ущерба для развития (Исмагилов, Костылев, 2000).
Согласно концепции донорно-акцепторных отношений, целое растение можно рассматривать как совокупность продуцирующей надземной и аттра-гирующей (подземной, корневой) частей. Распределение материально-энергетических ресурсов между этими частями также характеризует степень устойчивости растения при изменении среды. Следует учитывать, что уменьшение значений SRR может происходить как за счет увеличения доли корневой массы, так и за счет снижения массы надземной части. Исследованные нами растения на уровне ростовых параметров реагировали на избыток цинка не однозначно, реализуя различные соотношения перераспределения ресурсов между побеговой и корневой частями. У растений кукурузы SRR на среде с цинком снизился в 2,37 раза (рис. 3.3.). При этом у данных растений наблюдалось большое количество придаточных корней, что согласуется с литературными данными (Серегин, Иванов, 2001). Кроме того, наблюдалось значительное снижение биомассы (рис. 3,1.), и оводненности. Изменение параметра SRR у растений пшеницы было не значительным. В контрольных условиях показатель SRR у растений С. officinalis сорта Каблуна Голден был наиболее высоким (22,4 ± 3,1) (рис. 3.3.). При повышении содержания тяжелых металлов его величина снижалась на фоне Zn в 3,1 раза. Растения С. officinalis сорта Кальта реагировали на повышенные концентрации ТМ также снижением значения SRR в 1,7. Под действием цинка у растений сорта Калифорнийская этот показатель возрастал в 1,2 раза, что было связано с уменьшением относительной массы корня. 25"
Соотношение путей дыхательного обмена у растений, выращенных в условиях дефицита элементов минерального питания
В условиях повышенного уровня катионов цинка содержание хлорофилла а возрастало у растений календулы сорта Кальта (рис. 3.4 А), У других исследуемых объектов достоверных данных по изменению содержания хлорофилла а не обнаружено.
При стрессе (избытке цинка) у растений сорта Кальта наблюдалось увеличение содержания хлорофилла Ь (рис. 3.4 Б). Подобное увеличение содержания хлорофилла при избытке в среде цинка наблюдалось в работе Erdei S. с соавторами (2002). Причиной такого изменения содержания, вероятно, является то, что в некоторых случаях цинк является необходимым кофактором при синтезе хлорофилла для 5-аминолевулиновой кислоты и дегидратазы. У сорта Калифорнийская наблюдалось снижение хлорофилла Ь, что свидетельствует о токсичности цинка для данных растений (Fontes et ah, 1998). Различия между величинами концентрации хлорофилла Ь в листьях растений пшеницы, кукурузы и календулы сорта Каблуна Голд были не достоверны.
Содержание каротиноидов в неблагоприятных условиях возрастало у пшеницы и, особенно у растений календулы сорта Кальта (рис. 3.4 В). У кукурузы и сорта Калифорнийская происходило снижение количества каротиноидов. У календулы сорта Каблуна Голд достоверных данных по изменению содержания каротиноидов не выявлено.
Итак, анализ содержания фотосинтетических пигментов показал, что более адаптированные растения способны к сохранению и даже повышению уровня пигментов, что наблюдалось у растений пшеницы, календулы сорта Кальта и Каблуна Голд (рис. 3.4. А, Б, В). Однако, у растений пшеницы происходило изменение параметров массы и RGR сходное с календулой сорта Калифорнийская, проявлявшей признаки неустойчивости к данным условиям (снижение накопления сухой массы, значительное снижение RGR (рис, 3.1.,3.2.)) Таким образом, основываясь лишь на данных о процессах роста, RGR, SRR и содержании пигментов сложно однозначно установить степень устойчивости растений, особенно внутри одного вида, к избытку цинка. Однако исследуемые растения можно расположить в некоторый ряд по нарастанию устойчивости, где наименее устойчивыми были растения кукурузы, более адаптированными являлись растения календулы сорта Каблуна Голд: Z mays -» Т. aestivum =t Калифорнийская ± Кальта -»Каблуна Голд.
Устойчивость растения определяется его способностью сохранять гомеостатичность метаболизма при ухудшении условий среды. Изучение дыхания представляет собой одно из средств оценки пластичности метаболизма и адаптационной способности растений (Семихатова, 1998). Одним из показателей сохранения устойчивости клеточного обмена является суммарная величина энергетических затрат на рост и поддержание.
В контрольных условиях исследуемые объекты различались по интенсивности суммарного темнового дыхания (рис. 3.5.), В норме интенсивность суммарного темнового дыхания была выше у злаков, что вероятно связано с более молодым возрастом растений. Наименьшей эта величина была у растений С. officinalis сорта Кальта (99,6 ± 8 мкл 0% / грамм х час) и самой высокой - у пшеницы (205 ± 12 мкл О2 / грамм х час).
Известно, что при стрессе наблюдается увеличение интенсивности дыхания в связи с использованием энергии для роста и поддержания уже сформированных структур (Головко, 1999). В нашем эксперименте при выращивании растений в условиях избыточного содержания цинка в среде значительная интенсификация дыхания наблюдалась у пшеницы, кукурузы и календулы сорта Кальта (рис. 3.5.). Менее значительное увеличение суммарного темнового дыхания наблюдалось у растений Каблуна Голд. У сорта Калифорнийская величина Е R не изменялась, что вероятно связано с токсичным действием цинка на дыхательный метаболизм, а также из литературных источников известно, что при сильном и длительном воздействии токсикантов и увеличении возраста растений может происходить снижение дыхания (Кайбияйнен, 1998).
Абсолютные значения физиологических параметров в зависимости от условий среды могут быть весьма изменчивы, поэтому для более информативной характеристики устойчивости рассмотрим соотношение Е R/Pg. При оптимальных условиях у молодых растений данная величина составляет 40 %. Имеются также литературные данные о том, что в разных условиях среды значение ER / Pg может значительно варьировать даже у одного вида в пределах 35 - 75 % (Семихатова, 1988; Головко, 1999). Существенные изменения этого параметра являются показателем дисбаланса энергетического обмена (Головко, 1999). Доля суммарных дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза независимо от типа фотосинтетического метаболизма в норме составляла 52 - 65%, а при стрессе была значительнее у растений, выращенных в условиях повышенного содержания цинка (70 - 79 %)(рис.3.6.).
Расчет адаптационных затрат (Ra) позволил оценить долю суммарного дыхания не связанную с ростом и сильно возрастающую при стрессе (Рахманкулова и др., 2001). Известно также, что более устойчивые или адаптированные к стрессу растения не нуждаются в дополнительных затратах энергии (Семихатова, 1995), и характеризуются наименьшей величиной Ra (Рахманкулова и др., 2003). Полученные нами значения Ra сельскохозяйственных видов (пшеницы и кукурузы) были примерно одинаковыми и составляли 62 и 64%, соответственно (рис. 3.6.). Наименьшее значение Ra среди С. officinalis имел сорт Каблуна Голд (28 %).
