Введение к работе
Актуальность проблемы. Памир - замкнутая высокогорная страна, окруженная со всех сторон высокими хребтами, высотою от 6 до 7,5 км. Особое его географическое положение, отдаленность от морей и океанов, создают своеобразный климат этого горного края, характеризующийся исключительной сухостью воздуха и высокой солнечной радиацией, богатой ультрафиолетовыми лучами (УФ), резкими колебаниями температуры в течение суток и вегетации.
В силу сочетания этих факторов Памир называют естественной лабораторией, где природой созданы для растительного организма условия существования на границе жизненных возможностей. При перенесении культурных растений из долины в высокогорье, многие из них становятся низкорослыми. Это может быть вызвано воздействием того или иного экологического фактора (Заленский, 1948; Зайцева, 1953; Кардо- Сысоева и др., 1967; Мамадризохонов, 1973; Акназаров, 1971, 1985, 1991; Усманов и др., 1987; Шульгин и др., 1990). Однако, совершенно не исследованным остается вопрос о роли каждого из основных экстремальных факторов (таких как УФ радиация, низкие температуры и сухо-ють воздуха) в изменении ростовых процессов растений. В связи с этим, особую актуальность приобретает выяснение механизмов адаптации растений к сочетанию наиболее сильных стрессовых факторов высокогорий - низких температур, сухости воздуха и УФ радиации Солнца.
Хотя из комплекса экологических факторов наиболее детально изучено влияние УФ лучей на растения ( Соколов и др., 1965: Гиллер, Липкинд, 1988; Канаш и др., 1992: Lutz et,al., 1994), до сих пор неизвестна обратимость их подавляющего эффекта на растения в разные периоды вегетации. При этом несомненно важным является выявление взаимосвязи ростовых и продукционных процессов с изменениями уровня комплекса эндогенных фитогормонов.
Как известно (Mohr, 1981; Johnson, 1982), лучи красной области спектра являются важными факторами, участвующими в регуляции роста и морфогенеза. В связи с этим мы сочли целесообразным изучить возможности защиты растений от чрезмерно высоких доз УФ лучей высокогорья специальной УФ-трансформирующей пленкой, преобразующей данные лучи в красную область спектра(Kusnetsov et al., 1989). Кроме того, исследовали реактивацию роста лучами красной области спектра у растений, подвергнутых УФ-облучениа.
Рост растений в настоящее время рассматривается как наиболее ин-
тегральный процесс и один из важных показателей степени адаптации растений к различным стрессовым воздействиям (Алыергот, 1976; Туманов, 1979; Генкедь, 1982; Туркин, 1981; Кефели, 1991). В то же время следует отметить, что механизмы изменений ритмики роста и развития растений, наблюдавшиеся при перенесении растений из одних условий обитания в другие (Стешенко, 1956; Бородин, Райкова, 1963) до сих пор еще не в полной мере изучены. В связи с этим, является актуальным исследование механизмов адаптации растений к комплексным стрессовым условиям высокогорий и связанное с ними выявление специфических реакций растительного организма при смене экологических факторов в ходе онтогенеза.
Несмотря на наличие в литературе большого фактического материала по влиянию различных факторов среды на уровень эндогенных фитогор-монов (чумаковский, Кефели, 1968; Коф, 1971; Протасова, 1972, 1930, 1987; Гудьмамедов, 1975; Удовенко, 1979; Одилбеков, Кварцхава, 1986; Муратова, 1986; Пустовойтова, 1989, 1991; Акнаэаров, 1991; Кефели, 1991; Kumar et al., 1989; Pardoset e al., 1990), собственно проблема участие растительных гормонов при адаптации к стрессовым воздействиям до настоящего времени остается нерешенной. Практически не исследованы гормональные перестройки растительного организма при воздействии комплексных стрессовых факторов высокогорий, а также каждого экологического стресса в отдельности. Знание направленности изменений отдельных гормонов при действии стрессовых условий высокогорья имеет существенное значение как для более глубокого понимания самого механизма адаптации, так и для диагностики устойчивости растений к отдельным стрессовым воздействиям. Недостаточно изученным остается также вопрос о взаимовлиянии стрессовых факторов в процессах адаптации растений. Так, индуцированный путем воздействия одного стрессового фактора высокий уровень метаболизма может дать возможность организмам противостоять влиянию других стрессовых факторов.
И, наконец, важным как в теоретическом, так и практическом отношениях является исследование возможности снятия эффектов УФ-света на рост фитогормонаш.
Дедь и основные задачи исследования. Целью работы являлось изучение эколого-физиологических аспектов адаптации растений к основным стрессам высокогорий (низким температурам, сухости воздуха, У2 радиации) и разработка приемов защиты растений от этих факторов.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить напряженность комплекса климатических факторов (температуры воздуха, относительной влажности и УФ радиации) в условиях среднегорья и высокогорья Памира.
-
Исследовать рост и развитие растении при увеличении степени напряженности экстремальных факторов в высокогорных условиях. Изучить одновременное действие комплекса стрессовых факторов на рост и выявить роль фитогормонов при адаптации растений к стрессам.
-
Выявить наиболее чувствительные к экологическим стрессам периоды онтогенеза и возможности обратимости стрессовых эффектов при смене экологического режима.
-
Определить взаимосвязь между ростовыми процессами и гормональными изменениями растений при смене экологических стрессов в течение онтогенеза.
-
Разработать различные приемы защиты растений от экологических стрессов высокогорий: а) применение УФ-отсекающей пленки,
б) применение УФ-трансформирующей пленки,
в) гормональная реактивация,
г) реактивация красными лучами спектра.
6. Изучить механизмы взаимодействия различных стрессовых факто
ров в модельных системах и выявить возможности увеличения адаптаци
онного потенциала растений к определенному стрессу при предвари
тельном воздействии другим фактором. Выявить эффекты отдельных эко
логических факторов на процессы адаптации.
Научная новизна. Впервые удалось разграничить действие стрессовых факторов на растения в условиях высокогорья и среднегорья. Установлено, что в условиях высокогорий Памира ведущую роль в торможении ростовых процессов растений имеет низкотемпературный стресс, а в условиях среднегорья - УФ-радиация.
Показано, что под действием УФ-радиации продуктивность неадаптированных растений заметно уменьшалась, а у адаптированных оставалась неизменной.
В результате детального изучения реакции растений на действие климатических и радиационных факторов среднегорья и высокогорья показано, что в условиях высокогорья в течение вегетации в качестве стрессовых факторов выступают низкие температуры и сухость воздуха, а также повышенные дозы УФ света, в условиях же среднегорья эколо-
гическим стрессом является только УФ радиация.
Выявлены "критические" периоды чувствительности растений как к комплексному стрессу, так и в отношении влияния одного из ведущих факторов высокогорья - ультрафиолетового излучения. Такими "критическими" периодами оказались фазы кущения и трубкования. Впервые показана возможность защиты растений от высоких доз УФ-света с помощью УФ-трансформирующих пленок с интенсивной флуоресценцией в красной области спектра, а также реактивиующая роль красного участка спектра при УФ облучении.
На основании выполненных работ было показано, что всякое экстремальное воздействие условий высокогорий сопряжено с увеличением уровня ингибиторов роста, в частности АБК, и уменьшением уровня ауксинов и гиббереллинов. Изучены изменения комплекса гормонов роста типа АБК, ПУК, гиббереллинов и цитокининов в неадаптированных к условиям высокогорья овощных и лекарственных растениях, чего ранее не проводилось. Обнаружена корелляция между уровнем цитокининов и устойчивостью растений к УФ радиации.
Впервые проведено систематическое изучение адаптационных механизмов растений при воздействии комплекса стрессовых факторов не растения в контролируемых условиях. Показаны реакции растений нг воздействие различных стрессов, которые выражаются в накоплении АБК (в случае влияния обезвоживания и низких температур) и уменьшение уровня ауксинов и цитокининов (в случае воздействия УФ лучей). Прі этом гормоны способны избирательно снимать тормозящее действие УС света.
Проведенные исследования показали эффективность предварительно! обработки семян УФ лучами для предотвращения действия низкотемпературного стресса.
Научная и практическая значимость работы. Предложенный в работ* комплексный подход в изучении влияния условий среды на растения с разной степенью адаптированности может быть использован для разработки общей концепции адаптации и устойчивости растений. Полученные данные относительно специфических изменений уровня гормонов пр: разных стрессовых воздействиях могут быть использованы для разработки методов диагностики устойчивости растений к неблагоприятны! условиям среды.
Результаты исследований разных стрессовых воздействий на растительные организмы, включая влияние отдельных спектров УФ излучения
могут Сыть использованы для проведения экологического мониторинга и прогноза изменений ростовых и продукционных процессов при глобальных, климатических изменениях, включая деструкцию озонового слоя атмосферы.
На основе применения УФ-отсекающей пленки и использования геотермальных вод разработана и внедрена в практику сельского хозяйства технология выращивания овощных растений в теплицах. Эти результаты показали явное преимущество применения УФ-отсекающей пленки для теплиц в условиях повышенных доз УФ лучей в светопотоке памирс-кого высокогорья по сравнению с имеющимися в настоящее время полиэтиленовыми пленками. Кроме того, установлены возможности применения УФ-трансформирующих пленок для тепличных укрытий в условиях высокогорий, которые оказались более эффективными в увеличении ростовых и продукционных процессов неадаптированных растений.
Анализ взаимодействия стрессовых факторов в росте растений представляет интерес для практической разработки метода индуцированной устойчивости растений. Разработанный метод предпосевного УФ облучения семян для защиты от последующего воздействия низких температур и УФ излучения позволяет расширить адаптационный потенциал растении и может быть использован в практике сельского хозяйства, особенно в экстремальных климатических и радиационных условиях высокогорий.
На защиту выносятся следующие положения:
В комплексе экстремальных факторов высокогорий Памира (2500-4000 м) ведущим стрессовым фактором являются низкие температуры, а в условиях среднегорья (1500-2500 м) УФ радиация Солнца, которая является основным экологическим стрессом для неадаптированных растений.
При смене экологических факторов в сторону экстремальности путем перенесения растений из условий среднегорья в высокогорья образуются новые модификационные реакции, выражающиеся в замедлении темпов развития и низком росте вегетативных органов растений.
Механизм физиологической реакции растений на основные экологические стрессы высокогорий (низкие температуры, сухость воздуха и УФ радиация) включает изменения соотношений гормонов, стимулирующих и ингибирующих рост и развитие растений.
-.На основе выявленной обратимости эффектов УФ радиации на устойчивые и неустойчивые сорта ячменя установлено, что в основе
адаптации растении к экологической УФ радиации лежит кодификационная, а не генотипическаа изменчивость.
Выявлены наиболее чувствительные и толерантные виды растений к ультрафиолетовому стрессу, а также .к преобразованию УФ лучей на красную область спектра.
Установлено, что гормональная реактивация роста в условиях высокогорий наряду с изменениями спектра падающей радиации является еще одним из эффективных приемов нормализации роста растений.
Установлено, что в интегративном действии факторов высокогорий (низкие температуры, сухость воздуха и УФ радиация) на растения наиболее значимым является низкотемпературный стресс.
На основе проведенных исследований разработаны теоретические и экспериментальные подходы в защите растений от УФ радиации Солнца. Даны практические рекомендации по защите растений от УФ облучения специальной УФ-отсекающей и УФ-трансформирующей пленкой, и предложены возможности защиты растении красным светом.
Показано, что УФ лучи играют существенную роль в увеличение устойчивости растений к низкотемпературному стрессу.
Усиление напряженности экологических факторов как в комплексе, так и в отдельности приводит к сдвигу гормонального баланса в пользу увеличения уровня АБК и снижения уровня стимуляторов роста типа ИУК, гиббереллинов и цитокининов.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на заседании круглого стола "Фотосинтез и рост" (Пущино,1980), I Всесоюзной конференции по регуляторам роста и развития растений (Москва, 1981), Всесоюзной конференции "Проблемы и пути повышения устойчивости к болезням и экстремальным условиям среды" (Ленинград, 1981), Конференции биохимиков Средней Азии и Казахстана (Душанбе, 1931), Всесоюзной конференции "Актуальные задачи физиологии и биохимии растений в ботанических садах СССР" (Ленинград, 1984), Всесоюзного совещания "Физиолого-биохимические аспекты действия ультрафиолетовой радиации на рост и продуктивность растений" (Хорог, 1986), Всесоюзном совещании "Испытание полимерных.материалов на климатическую устойчивость" (Хорог, 1987), Международном симпозиуме "Зеленение растений и его регуляция" (Пущино, 1991), Ученом совете Института почвоведения и фотосинтеза РАН (1991), Международном симпозиуме "Действие экологических факторов высокогорий Памира на рост и продуктивность растений" (Хорог, 1992), 2 и 3 Съездов ВСФР (Минск,
1990, Санкт-Петербург, 1993), Ученом совете Памирского биологического института (Хорог, 1934).
Материалы диссертации обсуждались: на расширенном семинаре лаборатории гормональной регуляции роста и фотосинтеза Института почвоведения и фотосинтеза РАН (1991), расширенном семинаре лаборатории природных и синтетических регуляторов роста ИФР РАН (1991), расширенном семинаре лаборатории экспериментальной экологии Памирского биологического института АН Таджикистана (1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 1 рекомендация производству и 40 научных работ.
Структура и.объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введеній, обзора литературы, описания объектов и методов «следования, изложения полученных результатов, заключения, выводов и списка литературы.
Диссертация изложена на 224 страницах машинописного текста, содержит 64 таблиц, 43 рисунков. Библиография: 405 названий, в том числе 120 на иностранных языках.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования служили адаптированные к экологическим условиям высокогорья сорта растений и неадаптированные растения:
-
Ячмень (Hordeum vulgare L.) - районированный а условиях высокогорий сорт Джау-кабутак (условно - устойчивый сорт) .
-
Нутанс-27 - представитель Милютинской опытной станции республики Узбекистана (условно - неустойчивый сорт), а также неадаптированные формы культурных растений:
-
Фасоль (Phaseolus vulgaris L.) сорта Сакса.
-
Томат (Licopersicun esculentum М'.ф сорта Утро
-
Редис (Raphanus S3tivus L. var radicula pers.) сорта Дунгански
-
Ноготки лекарственные (Calendula officinalis L.)
-
Горчица (Sinapis alba) сорта Сарфітская.
-
Морковь (Daucus sativus (hasfm. Roenl) сорта Шантеке.
-
Лук репчатый (Allium Sativum L.) сорта Испанский.
10. Перец красный Cspicuin mexicanum
Экодого-физиологические исследования.
А. Опыты по влиянию комплексного стресса высокогорий на растения.
С целью изучения адаптационных перестроек растительного организма
под влиянием комплекса экологических факторов высокогорья растения
сорта Джау-кабутак выращивались на высотах 2320 м (среднегорье) и
3860 м (высокогорье) над уровнем моря в вегетационных сосудах. Сосуды с растениями поливались с расчетом 60Х от полной вдагоемкости почвы на обоих высотных пунктах. Для изучение влияния смены экологических условий растения в наиболее чувствительной фазе - кущения - начало трубкования переносились из условия среднегорья (2320 м) б условия высокогорья (3860 и) и наоборот.
Схема вариантов опыта была следующая: 2320 м - растения до конца вегетационного периода выращивались на высоте 2320 и над уровнем моря (среднегорье), 3860 м - растения до конца вегетационного периода находились на высоте 3860 м над уровнем моря (высокогорье).
2320 —* 3860 м - растения в фазе выхода в трубку переносились из высоты 2320 м на высоту 3860 м над уровнем моря.
3860 — 2320 м - растения в фазе выхода в трубку переносились из высоты 3860 м на высоту 2320 м над уровнем моря.
При постановке опытов по изучению защитных свойств УФ-отсекающих и УФ-трансформирующих пленок от высоких доэ УФ лучей в светопотоке нами были использованы следующие виды пленок, которые и характеризовали схему опытов:
-
Контрольная полиэтиленовая пленка, которая пропускает весь спектр солнечного излучения (+ УФ).
-
Уф-отсекающая полиэтиленовая пленка, обогащенная химической добавкой 2-окси-4-алкокси- оенаофенона, которая поглощает ультрафиолетовую часть солнечного спектра. Спектральный анализ пленки показал, что она в области 290-340 нм пропускает всего 1,6 7. в области 340-360 нм - 8 X ив области 360-400 нм - 52 X радиации. В области ФАР пропускание как контрольной, так и УФ-отсекающей пленки были идентичными.
-
УФ-трансформирующая пленка, обогащенная химической добавкой Еи(К0э)г. которая преобразует часть УФ лучей с длиной волны 300-380 ни на красную область спектра (620 нм).
Спектральные характеристики опытных пленок приведены на рисунках 1 и 2.
Для измерения солнечной радиации на разных высотных пунктах Памира использовали актинометры Савинова (прямая радиация), пирано-метры Яншевского (суммарная, расеянная, отраженная радиация), соединенные с гальванометром ГСА-1 (Кондратьев, 1957; Тооминг, Гуляева, 1967).
Поток солнечной радиации по зонам спектра измерялся с помощью
--9 —
500 волны, m
Рис. I. Спектр пропускания контрольной (I), УФ-огсекающеи (2) пленки.
_JU
Ml, ,
ZOO 315 *S0 «70620200 570 620 200 МО ЭТО 620
Рис. 2. Спектр фотопреобразования УФ-трансформируыщей пленки.
I - спектр лампы HL-40, 2 - спектр контрольной пленки, 3 - спектр УФ-трансформирующей пленки.
дозиметра ДАУ-81 и спектрорадиометра СРП-86 со сменными лучелрием-никами. Спектры пропускания и преобразования пленок были склты на спектрофотометре " Spectromotn 204 " и спектральном вычислительном комплексе КСВУ-2.
С целью изучение обратимости эффектов УФ радиации и нахождение "критических" периодов чувствительности растений в разных фазах вегетации меняли местами пленочные укрытия с контрольными и УФ-отсе-кающими пленками.
Для изучения роли отдельных экологических факторов на адаптационные реакции растений 3-х дневные проростки подвергали воздействии холода с температурами 0С, -5С, - 10С, обезвоживанию путем прекращения полива или воздействию УФ радиации разной длины волны. Спустя 6 суток после проращивания определяли рост проростков и содержание эндогенных регуляторов роста.
В качестве источника УФ облучения были использованы лампы ДБ-60 с максимумом испускания в области 254 нм, а также лабораторный спектральный облучатель ЛСС-2 со сменными светофильтрами.
Ауксины и ингибиторы роста определяли по методу Кефали и др., (1973). Абсолютное содержание ИУК и АЕК определяли на хроматографе "ЛХМ-80" и "Chroni-4" с пламенно-ионизационным детектором по методу Кислин, Кефели (1981).
Гиббереллины экстрагировали этилацетатом и их активность определяли с помощью хроматографирования в тонком слое силикагелл (ТСХ) и биотеста по росту гипокотилей салата и гороха (Муромцев,Агнистикова, 1973).
Цитокинины экстрагировали охлажденным бутанолом, затем после хроматографирования в тонком слое определяли их активность амаран-тус-тестом (Маэин, Шашкова, 1976; Biddington, Thomas, 1973).
Активность эндогенных гормонов выражали в эквивалентах КУК, АЕК, ГКз и кинетика, соотнося их к концентрационным кривым.
