Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема пищевых ресурсов человечества может быть успешно решена только путем интенсификации растениеводства и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Одним из эффективных приемов управления физиолого-биохимическими процессами, в том числе ответственными за продуктивность растений, является применение фиторегу-ляторов. Среди них особое место занимают фитогормоны и их синтетические аналоги. Именно гормональная регуляция является наиболее эффективной системой управления жизнедеятельностью растений (Полевой, 1986; Тарчевский, 2002). Весьма перспективными с точки зрения продуктивности растений являются препараты с ауксиновой и цитокининовой активностью. Показано, что ауксины и цитокинины влияют на целый комплекс физиологических и биохимических программ, оказывая существенные положительные эффекты на важнейшие процессы, протекающие в растительном организме (Кулаева, 1973, Соколова, 1986; Основы химической регуляции, 1987; Борзенкова и др., 1988).
В последние годы благодаря мощному прорыву в исследовании гормональной системы регуляции у растений стали относительно понятны молекулярные механизмы рецепции и трансдукции гормонального сигнала в растительной клетке (Kakimoto, 2001; Takei et al., 2001, 2004; Романов, 2009 и др.). Однако роль фитогормонов как регуляторов роста, развития и функционирования интактного растения пока исследована недостаточно. Также практически не проведено сопоставления характера многих интегральных эффектов фитогормонов для растений разных систематических групп, в частности, однодольных и двудольных. Например, для однодольных растений показано стимулируемое ауксином удлинение осевых надземных органов за счет активации растяжения клеток (Cocking, 1977; Полевой, 1989 и др.), для двудольных такая возможность остается недоказанной. В тоже время для травянистых двудольных растений известна активация цитокининами роста изолированных семядолей, листьев и их фрагментов (Miller, 1961; Кулаева, 1973, и др.), тогда как подобные эффекты для однодольных растений показаны лишь в единичных работах (De Boer, Feieraben, 1978; Чернядьев, Козловских, 1992; Kulaeva et al., 1996). Хорошо известно положительное влияние цитокининов на фотосинтез (см., напр. Кулаева, 1973; Кузнецов, 1995; Чернядьев,1993, 2000), о роли ауксинов в регуляции этого процесса известно мало (Лузина и др., 2000 и др.).
Специфика молекулярных механизмов действия фитогормонов, их полифункциональность, а также влияние со стороны других органов в единой до-норно-акцепторной системе зачастую вызывают сомнения в возможности эффективной регуляции физиолого-биохимических процессов в интактном растении. Однако подобное заключение можно сделать только после детального изу-
[^ "" /
чения влияние фитогормонов, прежде всего ауксинов и цитокининов, на такие интегральные процессы как рост, фотосинтез, дыхание, особенно в системе целого растения, что до настоящего времени не сделано.
Выяснение этих вопросов особенно важно для эффективного управления формировавнием урожая тех сельскохозяйственных культур, которые возделыва-ются в условиях, отличающихся от оптимальных. В Калининградской области такой культурой является кукуруза. Высокая продуктивность этой культуры, определяющаяся С4-типом фотосинтеза и интенсивными ростовыми процессами, обусловила ее широкое использование в пищевых и кормовых целях. Однако недостаток ФАР, суммы эффективных температур и избыточное увлажнение почвы в критические периоды развития позволяют возделывать эту культуру в Калининградской области лишь на зеленую массу и силос с относительно невысокой урожайностью 13-18 т/га.
Вполне вероятно, что уменьшить действие этих неблагоприятных факторов на растения кукурузы и повысить ее продуктивность можно с помощью фи-торегуляторов ауксиновой и цитокининовой природы.
Исходя из изложенного выше, целью работы явилось изучение действия ауксина (индолил-3-масляной кислоты - ИМК) и цитокинина (6-бензиламинопурина - БАП) на интегральные физиологические характеристики -рост, фотосинтетическую и дыхательную функцию вегетативных надземных органов в онтогенезе растений кукурузы.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
Охарактеризовать действие ИМК и БАП на рост изолированных коле-оптилей, а также стебля и листьев интактных растений кукурузы в онтогенеза.
Провести изучение ауксин- и цитокинин-зависимого роста на двух принципиально различных системах: исследуемой (колеоптили кукурузы) и модельной (листовые высечки тыквы). Для этого исследовать влияние ИМК и БАП на ряд физиологических характеристик исследуемых объектов (динамику роста, биоэлектрического тканевого потенциала (БЭП), рН среды инкубации, позволяющих сравнить механизмы действия этих фиторегуляторов.
Исследовать влияние ИМК и БАП на рост, мезоструктуру листа, интенсивность фотосинтеза и дыхания листьев кукурузы в системе целого растения.
Изучить действие ИМК и БАП на формирование урожая зеленой массы кукурузы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. ИМК и БАП в оптимальных концентрациях (10"5М и 10"4 М) активируют рост вегетативных надземных органов (изолированных колеоптилей, стебля и листьев интактных растений кукурузы).
Ауксин- и цитокинин-зависимый рост растяжением у изученных растительных объектов (изолированных колеоптилей кукурузы, листовых высечек тыквы) имеет близкий характер, вызывает сходные изменения БЭП и связан со снижением рН апопласта.
ИМК и БАП стимулируют формирование мезоструктуры листа (деление, рост клеток мезофилла, репликацию пластид, накопление фотосинтетических пигментов), активируют фотосинтетическую деятельность листьев интактных растений кукурузы.
ИМК и БАП стимулируют дыхательную активность листьев интактных растений кукурузы. Однако при этом отношение интенсивность фотосинтеза/интенсивность дыхания повышается.
Обработка растений ИМК и БАП увеличивает чистую продуктивность фотосинтеза и может приводить к повышению урожая зеленой массы кукурузы.
Научная новизна. Установлена возможность стимуляции фиторегулято-рами ауксиновой и цитокининовой природы роста, развития и функционирования (фотосинтеза и дыхания) не только изолированных органов, но и интактных растений кукурузы. Проведено сравнительное изучение действия ИМК и БАП на эти процессы на разных этапах онтогенеза растений. Доказана принципиальная возможность стимуляции с помощью цитокининов роста растяжением клеток листа однодольного растения. Обнаружена стимуляция экзогенными как экзогенным ауксином, так и цитокинином фотосинтетической и дыхательной активности листьев, увеличение отношения фотосинтез/дыхание и чистой продуктивности фотосинтеза у интактных растений кукурузы. Выявлено сходство ауксин- и цитокинин-зависимого роста растяжением у различных растительных объектов (колеоптилей кукурузы, листовых высечек тыквы). Отмечено позитивное действие ИМК и БАП на величину урожая зеленой массы кукурузы.
Теоретическая и практическая значимость работы. Работа расширяет и конкретизирует существующие в настоящее время представления о влиянии ауксинов и цитокининов на ростовые процессы, фотосинтетическую и дыхательную активность листьев интактных растений. Она создает основу для возможного управления формированием урожая зеленой массы кукурузы с помощью фиторегуляторов ауксиновой и цитокининовой природы. Результаты работы используются в учебном процессе в ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет» в лекционных курсах «Физиология растений» и «Инновационные технологии в АПК» для подготовки студентов сельскохозяйственных специальностей.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Калининградского государственного технического университета (Калининград, 2000); V
съезде РОФР, Международной конференции «Физиология растений - основа фитобиотехнологии» (Пенза, 2003); VI съезде РОФР, Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007); IV Съезде Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Пущино, 2006); научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Москва, 2006); Международных конференциях: «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия» (Вологда, 2005); «Инновации в науке и образовании -2006, 2007,2009» (Калининград, 2006, 2007, 2009); «Sink - Source Relationships in Plants» (Kaliningrad, 2007); научно-методическом семинаре «Биология растений в новом тысячелетии (Калининград, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследований, изложения полученных результатов, их обсуждения, выводов и списка использованной литературы (330 источников, в том числе 161 - на иностранных языках). Работа изложена на 157 страницах, содержит 34 рисунка, 6 таблиц.
