Содержание к диссертации
Введение
1. Биологические особенности морфотипов гороха посевного
1.1. Характеристика листочкового морфотипа 10
1.2. Особенности геноформ гороха с редуцированными листочками 13
2. Устойчивость морфотипов гороха посевного к недостатку влаги
2.1. Проблема устойчивости растений к дефициту влаги в современной селекции 20
2.2. Адаптация растений к засухе. 22
2.3. Устойчивость современных морфотипов гороха посевного с редуцированными листочками к водному дефициту 25
2.4. Электрофизиологическое состояние растений в стрессовых условиях 27
2.5. Влияние физиологически активных веществ на засухоустойчивость 34
3. Влияние янтарной кислоты и эпина на физиологические процессы и устойчивость растений
3.1. Использование регуляторов роста в процессе адаптации растений 36
3.2. Влияние янтарной кислоты на метаболические реакции и устойчивость растений 38
3.3. Влияние эпибрассинолида на физиологические процессы и адаптацию растений 40
3.4. Использование смесей препаратов 46
4. Интенсивность фотосинтеза и дыхания в оптимальных условиях и в условиях водного дефицита
4.1. Современные представления о СОг-газообмене растений 48
4.2. Особенности фотосинтеза усатых морфотипов гороха 50
4.3. Интенсивность ССЪ-газообмена в условиях водного дефицита 52
4.4. Углеродный баланс как критерий оценки устойчивости растений 54
1 Объекты и методы исследования 60
2. Определение СОг-газообмена растений гороха 68
3. Определение биоэлектрических потенциалов покоя 71
4. Условия проведения вегетационных и полевого опытов 74
5. Влияние янтарной кислоты и эпина на морфобиологические показатели гороха посевного
1.1. Влияние ФАВ на высоту растений гороха в оптимальных и засушливых условиях 79
1.2. Влияние ФАВ на число листьев различных морфотипов гороха посевного 85
1.3. Влияние янтарной кислоты и эпина на толщину листовой пластинки безлисточкового и листочкового морфотипов гороха 88
1.4. Влияние ФАВ на содержание хлорофилла различных морфотипов гороха. 89
1.5. Динамика накопления сухой биомассы различных морфотипов гороха в начальный период роста. 91
1.6. Влияние ФАВ на длину корневой системы гороха различных морфотипов 93
1.7. Влияние эпина и янтарной кислоты на азотфиксацию растений 97
1.8. Динамика накопления сухой массы корневой системы в оптимальных и засушливых условиях. 99
1.9. Изменение соотношения надземной и подземной частей в начальный период роста 101
1.10. Влияние препаратов на ростовую функцию гороха в условиях «физиологической» сухости почвы 102
6. Влияние янтарной кислоты и эпина на водообмен растений гороха посевного
2.1. Влияние препаратов на водоудерживающую способность и интенсивность транспирации растений гороха в засушливых условиях 106
2.2. Влияние препаратов на оводненность растений различных морфотипов 110
7. Влияние препаратов на биоэлектрические потенциалы растений гороха
3.1. Влияние ФАВ на разность электрических потенциалов различных морфотипов гороха посевного. 112
3.2. Топография биоэлектрических потенциалов различных морфотипов гороха 113
3.3. Биоэлектрические потенциалы между корневой системой растений и верхушкой побега 116
3.4. Связь биоэлектрических потенциалов с интенсивностью СОг-газообмена 118
8. Влияние янтарной кислоты и эпина на с02-газообмен гороха посевного
4.1. Действие засухи на листочковый и безлисточковый морфотипы 121
4.2. Влияние ФАВ на интенсивность СОг-газообмена различных морфотипов... 126
4.3. Динамика изменения углекислотного газообмена листочкового и безлисточкового морфотипа в течение вегетации 128
4.4. Влияние ФАВ на соотношение между интенсивностью фотосинтеза и дыхания на протяжении онтогенеза 130
9. Влияние янтарной кислоты и эпина на продуктивность растений гороха посевного 134
Заключение 138
Выводы 139
- Адаптация растений к засухе.
- Влияние янтарной кислоты на метаболические реакции и устойчивость растений
- Особенности фотосинтеза усатых морфотипов гороха
- Динамика накопления сухой биомассы различных морфотипов гороха в начальный период роста.
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в мире актуально увеличение производства . растительного белка для нужд населения и животноводства, важный источник которого в России - горох (Зеленое, 2001). В целях повышения устойчивости этой культуры к полеганию были созданы новые морфотипы с редуцированными в усики листочками (генотип afafflTlStSt). Однако урожайность таких сортов сильно снижается в неблагоприятные годы, что связано с меньшей устойчивостью безлисточковых морфотипов (особенно к засухе) (Новикова, 2002).
Для повышения устойчивости все шире используются синтетические регуляторы роста и развития растений. Однако положительный эффект наблюдается не всегда и существенно зависит от физиологического состояния и возраста растительного организма, способов внесения регуляторов роста. Для выяснения возможности применения синтетических аналогов фитогормонов требуются физиолого-биохимические исследования по разным морфотипам и сортам.
Значительный интерес представляет изучение регуляторов роста растений, по химической природе относящихся к группе стероидов. Установлено, что эпибрассинолид и его аналог (препарат эпин) стимулируют ростовые процессы (Прусакова, 1996). Исследования по действию эпина на ряд культур свидетельствуют об антистрессовом характере этого препарата (Третьяков, 2001).
Биологическая активность янтарной кислоты была обнаружена сравнительно давно (Дроздов, 1962). Усилившийся в настоящее время интерес к янтарной кислоте как стимулятору роста и продуктивности объясняется тем, что идет поиск препаратов, не опасных для человека и окружающей среды (Коф, 1999).
В этой связи целесообразно проводить исследования по изучению особенностей применения различных фиторегуляторов на горохе с целью уменьшения отмеченных выше недостатков этой культуры (Лаханов, 1995).
При сопоставлении листочкового и безлисточкового морфотипов важно учесть механизмы, компенсирующие сокращение ассимиляционной поверхности (Амелин, 2001), и провести прямые измерения интенсивности СОг-газообмена на ценотическом уровне, сравнив ассимилирующую способность листочковых и безлисточковых растений. Детальное изучение новых морфотипов важно не только для селекционеров, но и для совершенствования технологии возделывания уже районированных сортов.
Точно оценить адаптивный потенциал растений можно только по комплексу показателей, включающих морфологические, биофизические и физиологические критерии. Считается (Селье, 1972; Генкель. 1982: Жученко, 1988; Рахманкулова,
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА 1
1. «там
2002), что наиболее резистентны растения, которые при неблагоприятном водном режиме сохраняют активность физиологических процессов, регулируемых разного рода системами (гормональной, трофической, электрофизиологической и др.), на более высоком уровне.
Адаптивный потенциал растений можно оценить по тому, как соблюдается баланс между энергозатратами, идущими на защитно-компенсаторные реакции, и способностью их восполнять в процессе фотосинтеза (Веселова, 1993). Его можно контролировать, измеряя СОг-газообмен растений в ходе процессов дыхания и фотосинтеза. Конечный адаптационный эффект, в виде полученного урожая, определяется характером суточного метаболизма, обусловленного процессами, проходящими как на свету, так и в темноте (Аканов, 1998).
Диссертационная работа выполнена по проекту федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.»; контракт от 31.07.02 г № Б0023/1046 по теме «Разработать методические подходы к комплексной физиологической оценке составляющих адаптивного потенциала ряда сельскохозяйственных культур для целей селекции и адаптивного растениеводства» (УДК 581.1:631.627).
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучение комплекса
физиологических показателей ряда морфотипов гороха посевного
(фотосинтетический и дыхательный газообмен, биоэлектрические потенциалы и морфофизиологические особенности роста и развития) в связи с оценкой их устойчивости и продуктивности в условиях корневой засухи и при действии янтарной кислоты и эпина.
Для достижения цели решали следующие задачи:
-
Изучить влияние янтарной кислоты и эпина на ростовые процессы и продуктивность гороха 4"х морфотипов (листочкового сорта, усатого сорта с редуцированными листочками, морфотипа хамелеон, усатого сорта с редуцированными листочками и прилистниками) в оптимальных и засушливых условиях. Определить оптимальную концентрацию эпина применительно к гороху различных морфотипов, а также эффективность обработки семян и вегетирующих растений в полевых условиях.
-
Оценить влияние янтарной кислоты и эпина на баланс СОг (фотосинтетический и дыхательный газообмен) растений гороха посевного, характеризующихся нормальным и безлисточковым типом листа.
-
Усовершенствовать методику определения фотосинтетического и дыхательного газообмена микроценоза растений гороха с использованием ИК-газоанализатора и специальной факторостатной установки.
-
Изучить влияние ФАВ на биоэлектрические потенциалы гороха, а также определить топографию современных сортов гороха с нормальным типом листа и редуцированными листочками и их роль в сигнальной системе растений.
-
Изучить возможность моделирования корневой засухи на ранних этапах онтогенеза (разные осмотики) в сопоставлении с результатами, полученными в более поздний период на почвенной культуре.
Научная новизна. Впервые применительно к культуре гороха выявлено влияние эпина и янтарной кислоты на СОг-газообмен микроценоза безлисточкового и листочкового морфотипов в оптимальных и засушливых условиях, определена оптимальная концентрация эпина для обработки семян гороха. Проведена оценка адаптивного потенциала по комплексу физиологических показателей (морфофизиологические особенности роста и развития, водообмен, фотосинтетический и дыхательный газообмен). Определен СОг-газообмен на базе усовершенствованной газометрической системы на ценотическом уровне, в то время как в большинстве проведенных исследований определение газообмена проводят на отдельных листьях или листовых высечках; исследован суточный баланс 0( на уровне ценоза новых морфотипов гороха в течение онтогенеза'. Одновременно с CCv газообменом определена разность биоэлектрических потенциалов при обработке растений регуляторами роста и изучена топография биопотенциалов современных сортов гороха с нормальным типом листа и редуцированными листочками.
Практическая значимость. Определены пути повышения продуктивности и устойчивости растений гороха при обработке янтарной кислотой и эпином. Предложено использование янтарной кислоты для обработки семян гороха листочкового и безлисточкового морфотипов с целью ускорения развития корневой системы растений, а также эпина для безлисточковых сортов для более быстрого развития надземной массы в начальный период вегетации. Для оценки устойчивости к корневой засухе представляется возможным использовать данные суточного баланса СОг в целях ранней диагностики сортообразцов по применяемой в исследованиях методике.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывали на: на 52'" и 53'" студенческой научной конференции (Москва, 1999; 2000), VI международной конференции «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 2001), международном симпозиуме «Растения в условиях неблагоприятных факторов окружающей среды» (Москва, 2001), научной конференции молодых ученых и специалистов МСХА (Москва, 2002), на V съезде физиологов растений (Пенза, 2003), научной конференции МСХА (Москва, 2003), научно-практической конференции «Продукционный процесс культурных растений в Центральной России» (Орел, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ и 2 работы находятся в печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 202 страницах машинописного текста. Содержит 27 таблиц, 52 рисунка и состоит из введения, обзора литературы (4 главы), экспериментальной части (5 глав), выводов и приложения. Список цитированной литературы включает 480 наименований, из них 79 на иностранном языке.
Адаптация растений к засухе.
Еще в 1892 г. К.А.Тимирязев привлек к проблеме засухоустойчивости растений особое внимание в своей лекции «Борьба растений с засухой», и до сих пор эта проблема является особо актуальной в физиологии растений и сельскохозяйственном производстве. Современные представления о механизмах адаптации растений к стрессам обобщены и систематизированы (Гродзинкий, 1959; Жученко, 1994; Удовенко 1995 и др.). Устойчивость растений к стрессам характеризует способность растительных организмов полноценно осуществлять свои основные жизненные функции в неблагоприятных условиях внешней среды, а мера устойчивости отражает количественную сторону этой способности (Селье, 1972; Удовенко, 1995). Результат устойчивости к изменяющимся внешним условиям в процессе вегетации — урожайность (Никел, 1984). Выживаемость организмов, их способность сохранять продуктивность в экстремальных условиях, несомненно, зависят от надежности всех молекулярных, клеточных и тканевых систем (Гродзинский, 1983). Важнейшим условием адаптации растений к засухе является ослабление гидролитических и катаболических процессов в условиях недостаточного водообеспечения до уровня, соответствующего пониженной интенсивности синтетических реакций (Удовенко, 1976; 1979; Levitt, 1980; Тарчевский, 1993). Если действие экстремального фактора прекращается, в организме растений включаются механизмы репарации, которые заключаются в усилении всех заблокированных стрессом процессов (синтез, энергообразование и т.п.) (Stacker, 1961; Удовенко, 1977). В зависимости от степени повреждения различных функций эффективность их может быть различной, что, в конечном счете, отразится на продуктивности. Для существования растений в экстремальной среде обязательным условием является сохранение гомеостаза, определенных пропорций между интенсивностям и метаболизма и роста (Шевелуха, 1999; Меняйло 1999). К первичным нарушениям при действии засухи и других абиотических стрессах относятся, прежде всего, изменения в осморегуляции цитоплазмы, биоэнергетических процессах, структурной целостности и составе мембран, структурном состоянии ядерной ДНК, изменения активности; ферментных систем и гормонального статуса (Удовенко, 1995).
Изменения биоэнергетических процессов растений при экстремальных ситуациях включают: повреждения реакционных центров фотосистем (Гаенко, 1975; Жолкевич, 1970;.,Удовенко, 1977) и частичное блокирование электрон-транспортной цепи (Касумов, 1973; Володарский, 1976). Это обусловливает снижение энергетической эффективности окислительного (Морозовский, 1970; Hasson-Porath, 1973; Kalir, 1976; Удовенко, 1977) и фотосинтетического фосфорилирования (НеЬег, 1976), интенсивности образования АТФ (Wilson, 1970; НеЬег, 1976), в результате чего происходит снижение интенсивности фотосинтеза (Антоненко, 1985; Шматько, 1989). В неблагоприятных условиях резко увеличиваются затраты энергии; на репарацию поврежденных внутриклеточных структур (Жолкевич, 1968), изменяется метаболизм углерода и энергетика фотосинтеза (Тарчевский, 1964; Frank, 1973; Boyer, 1976; Zagdanska, 1984). Все это ведет к падению энергообеспеченности: всех энергозависимьгх процессов нормального метаболизма. Происходит, усиление гидролитического распада сложных органических соединений в клетке (белков, углеводов и т.д.). При засухе низкий СОг-газообмен является также результатом высокого устьичного сопротивления диффузии СОг и ингибирования основных, ферментов фотосинтеза (Мокроносов, 1981; Удовенко, 1995); увеличивается доля дыхания от истинного фотосинтеза, особенно у неустойчивых растений (Рахманкулова, 2002). Одной из первых основных защитных реакций растений на слабый водный стресс является остановка роста надземных органов (Шевелуха, 1980; Рахманкулова, 2002), т.к. рост - один из основных потребителей энергии, и его отключение1 расширяет энергетические возможности дальнейшей адаптации и репарации, перестройки функционирования в неблагоприятных условиях (Усманов, 2001). Полагают, что остановка роста, вызывается и сдвигом гормонального баланса в сторону усиления ингибиторной и ослабления стимуляторной активности (Boussiba, 1976; Полевой, 1982; Долгополова, 1982; 1996; Борзенкова, 1997). Сущность изменения гормонального баланса в сторону накопления, ингибиторов заключается в стремлении быстрее завершить цикл протекающих в этот период процессов (Удовенко, 1995). Было высказано предположение, что первичным сигналом модификации гормонального баланса у растений в условиях стресса является изменение содержания и активности воды в их органах (Mazzahi, 1971; Таланова, 1991).
Действительно, в стрессовых условиях у растений происходит перераспределение фондов воды в клетке - возрастает количество трудноизвлекаемой и резко снижается содержание слабосвязанной воды. В результате этого снижается подвижность воды в растении и активность метаболизма, но возрастает водоудерживающая способность тканей и устойчивость организма к экстремальным воздействиям. Кроме того, установлено, что изменения, водного режима у слабоустойчивых к экстремальным факторам сортов значительно больше, чем у сортов устойчивых; транспирация также сильнее снижается у неустойчивых растений (Сент-Дъердьи, 1960; Самуилов, 1972; Кумаков, 1980; Кушниренко, 1984; Удовенко, 1995). Однако, засухоустойчивость обусловлена как физиолого-биохимическими (водоудерживающая способность, ферментативная активность, состояние воды в тканях), так и морфобиологическими показателями (хорошо развитая физиологически активная корневая система, ксероморфная структура листа) (Максимов, 1931; 1952; Лаханов, 1981; Потапова, 1982; Коркина, 2001). Реакция растений на действие засухи неодинакова на разных этапах органогенеза (Куперман, 1977; Батыгин, 1986; Коркина, 2001). Уровень устойчивости растения обычно низок в период прорастания и у молодых растений, затем повышается в период заложения вегетативных органов, при переходе к заложению и формированию генеративных органов вновь начинает снижаться (Удовенко, 1977). В экстремальных условиях, происходит защитное блокирование молекулы ДНК гистоновыми; белками, что переводит ее в более устойчивое, но менее активное состояние (Конарев, 1959). Несмотря на это в неблагоприятных условиях программа адаптации к стрессовому воздействию получает сигнал к считыванию и реализуется в находящихся под генным контролем изменениях комплекса метаболических процессов (Кульнев, 1997). В литературе также отмечаются факты резкого изменения некоторых физиологических параметров у растений в ответ на экстремальные воздействия. К этой категории явлений относятся биоэлектрические реакции, возникающие у растений в ответ на самые разнообразные внешние раздражения. В физиологическом отношении они являются своеобразным сигналом организму об отклонении условий среды за пределы нормы.
Влияние янтарной кислоты на метаболические реакции и устойчивость растений
Биологическая активность янтарной кислоты была обнаружена сравнительно давно (Гаврилова, 1962; Дроздов 1969, 1970). Усилившийся в настоящее время интерес к ней как стимулятору роста и продуктивности объясняется тем, что идет активный поиск препаратов, не несущих опасности для человека и окружающей среды (Кандейкина, 1972; Волобуева, 2001). Янтарная кислота (ЯК) нередко встречается в растениях в больших количествах и выступает как доминирующая кислота, образующаяся в реакциях цикла Кребса. Сукцинат не только служит важнейшим интермедиатом метаболизма, но и выполняет роль регуляторного фактора в клетке, обеспечивая нормальное функционирование клеточных систем. Обстоятельные исследования по действию ЯК проводятся в ИФРе под руководством Э.М.Коф (1993; 1999). К настоящему времени накоплено много данных о том, что ЯК может быть эффективным стимулятором физиологических процессов в растениях, однако многие аспекты действия ЯК остаются до сих пор малоизученными (Иванов, 1981; Самуилов, 1997). Повышая интенсивность дыхания,. ЯК усиливает поглощение воды растениями (что особенно важно в условиях водного дефицита), снижает энергию активации ферментных; реакций, активирует физиолого-биохимические процессы в прорастающих семенах. Предпосевная обработка семян способствует оптимизации водного режима: повышается водоудерживающая способность и оводненность листьев, снижается величина, водного дефицита тканей. При опрыскивании растений янтарной кислотой до наступления засухи (Бахтенко, 1993) наблюдается увеличение площади листовой поверхности, усиление процессов роста, накопление биомассы и увеличение урожая. Однако действие ЯК зависит от культуры, что может быть связано с особенностями метаболических процессов различных растений (Самуилов, 1995; 1997). Янтарная кислота влияет и на фотосинтетическую деятельность растений. При обработке растений гороха; янтарной кислотой получены данные об усилении переменной флуоресценции реакционных центров фотосистемы. 11, фотофосфорилирования, электронного транспорта, АТФ-азной активности хлоропластов (Карташов, 1995). Однако сравнительное изучение влияния ЯК на; онтогенетическую составляющую СОг-газообмена в оптимальных условиях и условиях водного дефицита не проводилось. Проявление биологической активности ЯК связано с влиянием соединения на метаболические процессы, происходящие на различных уровнях структурной организации растений: ЯК усиливает прорастание семян (Барчукова, 1995), повышая всхожесть и энергию прорастания (эффективность выше при обработке семян с пониженной всхожестью) (Самуилов, 1997); увеличивает длину корней и высоту проростков (Музыченко, 1995; Ефремова, 1999), не вызывая специфической гиббереллино-подобной стимуляции (Коф, 1999). Начиная с ранних фаз развития, формируется тенденция на ускорение ростовых процессов: листовая поверхность, надземная масса растений увеличивается (Викторова, 1995), существенно продлевается срок жизни листьев (Барчукова, 1997), благодаря чему ЯК повышает урожайность многих. с/х культур.
Однако сведения о действии ЯК весьма противоречивы. По другим данным, ЯК не приводит к существенным различиям по всхожести и энергии прорастания, а также незначительно увеличивает биомассу проростков (Швец, 1993), длину корневой системы (Ефремова, 1999). При повышении урожайности и жизнестойкости растений, обработанных ЯК, отмечается повышение в семенах содержания белка и органических кислот. Так, обработка растений гороха сукцинатом вызывает образование новых полипептидов 38 и 42 кД и повышение содержания полипептидов 100 и 120 кД. Вполне вероятно, что ЯК может в качестве сигнала взаимодействовать с рецепторньши белками плазмалеммы, изменять их конформацию и «включать» метаболические сигнальные цепи. Преобразование и умножение первичного импульса завершается экспрессией; генов и синтезом защитных белков (Плотников, 1995;Карташов, 1995; Максютова, 1999). Предполагают, что ЯК может приводить в действие механизмы формирования системной устойчивости растений к действию патогенов (Дьяков, 2001) и неспецифической устойчивости к различным стрессорам (Тарчевский, 2002). В неблагоприятных условиях янтарная кислота является сигналом о неблагополучии, и в ответ на него происходит коррекция синтетических процессов. Об этом свидетельствует и тот факт, что ЯК действует в небольших концентрациях, кроме того наблюдается эффект длительного последействия (Тарчевский, 1993; Коф, 1997). Существенное преимущество использование янтарной кислоты в растениеводстве перед другими физиологически активными веществами состоит в возможности получения ее в больших количествах и недорогим способом, учитывая и то, что она является природным метаболитом растений. В егязи с активацией роста растений под влиянием янтарной кислоты (особенно корневой системы), важно изучить возможные механизмы этого воздействия (за счет активации процессов фотосинтеза и дыхания), а также оценить влияние препарата на скорость роста растений гороха усатого морфотипа, вследствии необходимости ускорения развития растений в начальный период вегетации. 3.3. Влияние эпибрассинолида ОГП на физиологические процессы и адаптацию растений Сравнительно недавно в пыльце рапса (Mitchel, 1970) была обнаружена новая группа регуляторов роста, получившая название брассиностероиды (Grove, 1979; Mandava, 1988). Из литературных данных известно (Муромцев, 1987), что гормональная активность стероидов в ряде биотестов характерна для ауксинов, гиббереллинов и цитокининов, в других же биотестах, свойственных тому или иному фитогормону, брассинолиды неактивны или даже действуют противоположным образом, поэтому их выделяют в особую группу эндогенных регуляторов роста ГУдовенко. 1995). В настоящее время много работ посвящено изучению влияния брассиностероидов на различные стороны обмена веществ и физиологические процессы в растениях (Кулаева, 1985; Полевой, 1982; Якушкина, 2003). Однако,, по-прежнему, исследования в этих направлениях остаются актуальными (Кефели, 1984; 1990; Jenneth, 1994; Хрипач, 1995; Климачев, 2001; Лихачева, 2001). Изучение действия эпибрассинолида на растение имеет значение как с практической, так и с теоретической точки зрения. Теоретическое выяснение зтсго вопроса приведет к познанию механизмов регулирования процессов ._ жизнедеятельности, а практическое - поможет эффективному использованию эпибрассинолида в практике растениеводства (Скоробогатова, 1988). Способность брассиностероидов в исключительно низких концентрациях стимулировать рост и развитие растений, повышать устойчивость к стрессовым условиям произрастания, увеличивать продуктивность г вызвала интерес к их практическому использованию уже на начальном этапе исследований (Luo, 1986; Abe, 1989; Кефели, 1990; Ikedawa, 1990; Takatsuto, 1990; Хрипач, 1993; Озерецковская, 1993; Suzuki, 1995; Прусакова, 1996; Быховец, 1997; Манжелесова, 1999). Освоение химического синтеза брассиностероидов (БС) дало возможность начать их применение в практике растениеводства. Несмотря на широкий круг опытов, специфика ответа на обработки БС отдельных культур не уточнена (Khripach, 1992; Schmidt, 1995; Suzuki, 1995; Прусакова, ; # 1995; Климачев, 2001; Ленинский, 2001).
Первым препаратом, созданным на основе эпибрассинолида, официально зарегистрированным и разрешенным для практического применения в сельском хозяйстве, стал эпин (Прусакова, 1991). Принимая во внимание низкие токсичность и нормы расхода, а также распространение в растениях (Хрусталева, 1991), эпин является к экологически безопасным препаратам, На ростовые процессы эпин действует неоднозначно: отмечено повышение всхожести семян и энергии прорастания, усиление роста побегов (Eun Jong-Seon, 1989; Ежов, 1999; Калитухо, 1999), увеличение массы корневой системы (Sathyamoorthy, 1990; Wang Yu-Qin, 1991; Roddick, 1992; Ежов, 1999; Мироненко, 1999). Эпин (ЭП) стимулирует рост корней и проростков лишь в начальный период (7-Ю дней) (Деева, 1990; 1995). Прорастанию семени предшествует его набухание, одновременно с которым начинается активная j ферментативная деятельность, приводящая к мобилизации запасных веществ в семядолях. Повышенная влагообеспеченность тканей семени: в это время, происходящая: под действием эпина, способствует дружности появления всходов. Эпин выравнивает ценоз, поднимает больные, травмированные, недоразвитые растения (Деева, 1995; Сикорская, 2001). Анализ динамики ростовых процессов Л. Д. Прусаковой (1996) и М.Н.Ежовым (1998; 1999) выявил наличие тенденции к уменьшению высоты растений при обработке ЭП, по данным же Т.А.Палладиной (1997) эпин усиливал рост надземной части. Отмечено повышение прочности и утолщение стебля (Бондарь, 1984; Удовенко, 1995; Прусакова, 1995; Агеева, 1995), что важно для безлисточковых сортов гороха как увеличение емкости для резервирования ассимилятов. Предполагают действие эпина на перераспределение потока пластических веществ в растениях и усиление их притока в плоды, (Ламан, 1997; Прусакова, 1999; Ежов, 1998), чем можно объяснить повышение озерненности соцветий, увеличение массы плодов. Рост-ингибирующие концентрации ЭП (10"9 - 10"8 М) предупреждают преждевременное прорастание клубней картофеля и: удлиняют период глубокого покоя, подавляя процесс растяжения клеток меристемы (Платонова, 1997).
Особенности фотосинтеза усатых морфотипов гороха
Горох ассимилирует углекислый газ через промежуточное образование трехуглеродных фосфорсодержащих органических соединений (Сз-растения) (Реагсе, 1969; Амелин, 1987; Корнилов, 1995; Дроздов, 2001). Наличие метаболических и структурных демпферов имеет важное значение при действии стрессоров; (Гончарова, 1985; Зеленский, 1990). Можно предположить, что усатые морфотипы гороха менее устойчивы к стресс-факторам чем листочковые в связи с тем, что у листочковых морфотипов с начала вегетации накапливается большое количество углеводов и азотсодержащих веществ в листочках и прилистниках, которое реализуется в процессе формирования бобов, У усатого же морфотипа подобные запасы меньше в связи с отсутствием листочков, и формирование бобов идет большей; частью за. счет продуктов текущего фотосинтеза, непосредственно поступающих из листьев. Считают, что повышение потенциальной продуктивности усатых сортов за счет увеличения роли первичных источников ассимилятов более целесообразно, чем за счет реутилизации (Новикова, 1990). Естественно ожидать, что такие морфотипы должны отличаться высокоактивным фотосинтетическим аппаратом, но в то же время будут более зависимы от колебаний погоды, чем листочковые сорта. Хорошо развитые усики безлисточковых морфотипов - важные фотосинтезирующие органы, наиболее активно функционирующие в период вегетативного роста (всходы-бутонизация). С переходом к генеративному развитию активность усиков растений гороха начинает снижаться, а центр активности смещается к створкам молодых образующихся бобов (Bhardwaj, 1972; Willmer, 1976), стеблю, и черешкам, что является определенной компенсационной реакцией растений на сокращение листовой поверхности. Тем: не менее, за счет повышенной фотохимической активности; неспециализированных органов не всегда достигается полная компенсация редуцированных у растений листочков и прилистников. Только при сохранении у генотипов гороха прилистников фотосинтетические возможности растений могут сохраняться на прежнем уровне. Низкая фотовосстановительная способность неспециализированных органов при высокой; активности фермента РБФ-карбоксилазы объясняется слабым развитием фотоассимиляционной ткани; В результате и, хлорофилла в единице сухой массы в 10 раз меньше у усатых морфотипов (Амелин, 1999). Преимущества ценоза таких морфотипов в высокой светопропускающей способности безлисточковой формы (концепция «оптимально просвечиваемого ценоза» (Watson, 1958, 1963; Ничипорович, 1955; 1961; Duncan, 1971; Самарин, 1975)), что в поздние периоды вегетации может обеспечить более высокую эффективность использования световой энергии (Амелин, 1987; Коф, 1997) органами растений.
В условиях ограничения площади листа основной фотосинтезирующий путь увеличения производства фотоассимилятов — повышение интенсивности фотосинтеза каждой единицы листовой пластинки прилистников (Кондрашин, 2001), в том числе за счет увеличения их толщины. Растения с более высоким уровнем УШІ отличаются и высокой интенсивностью фотосинтеза (Каллис, 1974; Delaney, 1974; Расулов, 1982). Фотосинтез и его энергетический эквивалент - удельная скорость роста массы (суточный прирост биомассы), являются производными фотосинтезирующих поверхностей и толщины биоэлементов (их УШІ), обеспечивающих максимальный и оптимальный обмен с внешней средой (Удовенко, 1995). Большое число слоев фотосинтезирующих клеток эффективно функционирует в ценозах с высокой просвечиваемостью - ценозах усатых морфотипов. У листочковых морфотипов во второй половине вегетационного периода, вследствие полегания и затенения, особенно нижних ярусов листьев, продуктивность работы фотосинтетического аппарата значительно снижается: общая ассимиляционная поверхность уменьшается на 30-50%, а продуктивность фотосинтеза - на 20-35%. Таким образом, оптимизация морфологической структуры в селекционном процессе отдельного растения, его органов, всего посева - важнейшее условие максимального использования факторов вегетации и реализации генетического потенциала новых сортов гороха (Новикова, 1990). 4.3, Интенсивность ССЬ-газообмена в условиях водного дефицита Интенсивность фотосинтеза и. использование фотоассимилятов на формирование хозяйственно ценной части биологического урожая определяются генетическими особенностями растений и агрометеоусловиямн (Чернова, 2001; Федотова, 2001). Установлено, что в нормальных условиях интенсивность физиологических процессов протекает на уровне, значительно ниже максимально возможных (Гродзинский, 1974; 1983; Zekri, 1990). Имеются данные об увеличении интенсивности фотосинтеза в экстремальных условиях, что позволяет растениям поддерживать скорость истинного фотосинтеза практически на нормальном уровне (Удовенко, 1977). С подобными изменениями тесно сопряжены компенсаторные изменения интенсивности сопряженных процессов. Так, при понижении в экстремальных ситуациях энергетической эффективности дыхания наблюдается рост его интенсивности, что в известной степени восстанавливает общий пул энергопродукции в организме (Удовенко, 1979), Наличие подобных механизмов определяет возможность адаптации растений к стрессам. Величина «запаса прочности» зависит от объема резервов в метаболизме (развитая губчатая паренхима листочковых морфотипов гороха и др.), а также от уровня пределов изменения физиологических параметров, допускающего осуществление основных жизненных функций организма (Гродзинский, 1983). Более высокая устойчивость к внешнему неблагоприятному фактору обусловливается, с одной стороны, способностью растений сохранять нормальный уровень метаболизма в экстремальных условиях, а с другой — большей скоростью выработки у него защитных изменений. К физиологическим процессам, наиболее тесно связанным с реакцией растений на дефицит влаги, относятся фотосинтез и дыхание. При недостатке влаги особенно резко снижается фотосинтез (Балкарова, 1997), который падает при малых изменениях водного потенциала почвы: в условиях умеренного водного стресса интенсивность фотосинтеза снижается до 50%; если; засуха продолжается длительное время, то подавляется и дыхание растений (Молдау, 1984; Головко, 1999). В условиях сравнительно небольшого водного стресса снижение интенсивности фотосинтеза обусловливается, прежде всего, закрытием устьиц, что контролируется содержанием АБК (Головко, 1983; 1999); при продолжительной и сильной засухе происходит депрессия активности хлоропластов и энзимов (Воуег, 1976; Кузнецов, 1992), нарушается их структура (Тарчевский, 1964). Недостаток влаги снижает скорость оттока ассимилятов, изменяет характер их распределения; резко сокращается отток в корни и развивающиеся семена. Действие водного стресса на корни является сигналом к изменению фотосинтеза (Головко, 1999).
При. продолжительной засухе снижается и дыхание за счет подавления активности ферментов, а также увеличения; некротических зон (Семихатова, 1982; 1995; 1998). В условиях умеренного водного стресса спад интенсивности фотосинтеза, сопровождаемый повышением интенсивности дыхания, приводит к истощению запасов углеводов, обусловливая эффект «голодания» растений (Levitt, 1980). При этом у большинства видов растений нарушение положительного баланса ассимиляции наступает гораздо раньше появления внешних признаков водного стресса. В условиях недостатка влаги наблюдается усиление гидролитических процессов. При подсыхании из листьев исчезает крахмал и усиление его распада не сопровождается накоплением гексоз, поскольку они используются в процессе дыхания. Необходимая энергетическая поддержка адаптации растений к стрессовым условиям- обеспечивается за счет внутренних биохимических реакций дыхательного цикла, энергетические ресурсы которого расходуются по двум; направлениям: на рост и на поддержание в жизнедеятельном состоянии сформированных структур. Стрессовые условия, подавляя общую метаболическую активность и рост, могут усиливать; дыхание для целей репарации (Farrar, 1985; Головко, 1999), а также снижать дыхание в связи со снижением скорости роста (Рахманкулова, 2002). Энергетические резервы дыхания весьма ограничены, в силу чего возможности растительного организма «активно» противостоять. негативным воздействиям не так велики. Ближайшая цель — найти оптимальное соотношение между той частью энергетического баланса, которая поступает в «запас» на создание продуктивной биомассы и теми энерготратами, которые идут на защитные компенсаторные реакции (Аканов, 1987). Сохранение горохом посевным способности к эффективному газообмену при низкой влагообеспеченности рассматривается как необходимое условие для приобретения устойчивости к засухе, а также более высокой урожайности данной культуры.
Динамика накопления сухой биомассы различных морфотипов гороха в начальный период роста.
ZНаиболее интегральный показатель уровня жизнедеятельности растений -накопление биомассы. В фазе 6-7 настоящих листьев максимальная сухая масса наблюдалась у морфотипов, имеющих листочки (сорта Альтаир и Орловчанин), а минимальная - у сорта Филби с редуцированными листочками и прилистниками (рис. 7). В оптимальных условиях вегетации существенных различий между обработками не обнаружено, кроме морфотипа сорта Норд: растения, обработанные эпином и янтарной кислотой, имели достоверно больший сухой вес. У всех морфотипов меньший сухой вес отмечен у необработанных растений, что свидетельствует об усилении мобилизации пластического материала семядолей под влиянием изученных ФАВ. В результате действия засухи (рис. 8) растения снижают скорость накопления сухого вещества, а в период репарации наблюдается восстановление этой функции. После воздействия засухи максимальная сухая масса проростков отмечена при выращивании растений в оптимальных условиях. Большей сухой массой по сравнению с другими вариантами характеризуются растения, обработанные эпином; к 19му дню эти растения по уровню накопления биомассы приближаются к контрольным. Минимальная сухая масса отмечена у необработанных, но подвергшихся засухе растений (Кз), в то время как все обработанные варианты имели более высокий уровень накопления биомассы. Полученные результаты подтверждают данные о ростстимулирующем действии эпина, а также об антистрессовых свойствах обоих препаратов, т.к. их действие проявляется лишь в неблагоприятных условиях. У усатого сорта Норд наблюдаются те же закономерности (рис. 4 Приложение), что свидетельствует о сходном действии регуляторов-антистрессоров на накопление сухих веществ различных морфотипов гороха посевного. 1.6. Влияние ФАВ на длину корневой системы гороха различных морфотипов В оптимальных условиях в фазу 3-4 настоящих листьев максимальной длиной корневой системы характеризовался листочковый морфотип и хамелеон, значительно меньшая длина отмечалась у усатых морфотипов (рис. 9)- Большая длина корневой системы была у растений, обработанных ЯК; остальные варианты не имели существенных различий. Полученные результаты подтверждают литературные данные о стимуляции янтарной кислотой развития корневой системы растений, что очень важно для гороха (особенно усатого морфотипа), т.к. преимущества в формировании урожая у них могут быть достигнуты только при целенаправленном улучшении показателей развития корневой системы (Новикова, 2001). В начальный период вегетации (всходы - бутонизация) отмечены те же закономерности: большей длиной корневой системы отличался листочковый морфотип сорта Орловчанин (рис.10) по сравнению с безлисточковым сортом Норд (рис. 5 Приложение).
Это объясняется тем, что генетически детерминированное уменьшение массы и штощади листьев оказывает отрицательное влияние на развитие корневой системы, сопоставимое с влияние искусственной дефолиации растений (Новикова, 2002). При измерении длины корневой системы в оптимальных и засушливых условиях (табл. 7) были получены следующие данные. В оптимальных условиях максимальный прирост корневой системы наблюдается при обработке ЯК (4,9 см), что свидетельствует о стимулировании роста корневой системы данным препаратом. Растения, обработанные эпином и его смесью с янтарной кислотой, характеризовались более быстрым приростом корневой системы по сравнению с необработанными растениями. В условиях засухи у обработанных: растений произошло незначительное увеличение длины корневой системы, что является защитной реакцией растений на засуху. У необработанных растений длина корневой системы возрастает в меньшей мере, чем при влажности 70% ППВ. У растений, не подвергшихся воздействию засухи (К), прирост остался на том же уровне. В условиях репарации у обработанных растений снижаются темпы роста корней, что обусловливает также снижение дыхания в этот период; у контрольных растений напротив рост корневой системы активизируется. Все это свидетельствует об антистрессовом влиянии препаратов в неблагоприятных условиях. Усатый морфотип имеет меньшую и более чувствительную к засухе корневую систему, чем листочковыи; в оптимальных условиях корневая система сорта Норд развивается медленнее. При обработке препаратами наблюдается та же тенденция, что и у сорта Орловчанин. В неблагоприятных условиях (30% ППВ) у контрольных растений рост корневой системы увеличивается, что приводит к увеличению дыхания растений. У растений, обработанных ЯК и ее смесью и эпином, темпы роста корней увеличиваются; при обработке чистым эпином рост снижается. В условиях восстановления влажности (70% ППВ) корневая система контрольных растений, а также обработанных эпином продолжает интенсивно увеличиваться, в то время как у растений обработанных ЯК и ее смесью с I эпином рост корневой системы приостанавливается. Необходимо отметить, что увеличение длины корневой системы тесно связано с дыханием растений. По литературным данным, усиление дыхания в условиях засухи происходит в результате усиления роста корней, что можно рассматривать как адаптивную реакцию, направленную на увеличение поглощения воды..
В течение продолжительной засухи более устойчивые растения снижают рост листовой поверхности, что приводит к сокращению затрат дыхательного субстрата (Головко, 1999) и снижению дыхания. Начальный период развития растений весьма ответственный, т.к. оказывает существенное влияние на весь последующий ход процесса роста и развития (Юдина, 1969). Для ускорения развития корневой системы растений усатого морфотипа в начале вегетации (что важно для улучшения стартовых условий \ м новой геноформы) можно рекомендовать обработку семян янтарной кислотой в изученной концентрации. Преимущества по скорости роста корней в начале развития растений имеют пролонгированный характер и сохраняются после всходов в период вегетативного роста. В процессе дальнейшего развития преимущества по развитию корневой системы утрачиваются (рис. 11), вероятно, в связи с ухудшением снабжения V корней ассимилятами вследствие переориентации их транспорта от вегетативных органов к плодам. условиях агрофитоценоза безлисточковые с обычными прилистниками формы в период вегетативного роста уступают листочковым по массе и объему корней на 10-30% (Новикова, 2002). В нашем полевом опыте у листочкового морфотипа сорта Орловчанин длина корневой системы была на 25% больше, чем у усатого сорта Норд. 1.7. Влияние эпина и янтарной кислоты на азотфиксацию растений В оптимальных условиях у гороха посевного формируется много крупных красных клубеньков с большим содержанием леггемоглобина. Чем больше количество клубеньков и чем выше содержание леггемоглобина, тем интенсивнее усваивается азот воздуха. В оптимальных условиях в фазу 5-6 настоящих листьев интенсивное образование клубеньков (более 20 шт./растение) отмечено у листочкового морфотипа и хамелеона (табл. 8), усатые морфотипы характеризуются слабой (менее 14 шт./растение) азотфиксацией (Зубов, 1970). Вероятно, меньшая азотфиксация усатых морфотипов обусловлена более слабым развитием корневой системы растений в начальный период вегетации, вызванным недостатком ассимилятов в связи с меньшей фотосинтезирующей поверхностью.
