Введение к работе
Актуальность темы. Проблема изучения действия микроэлементов в растительном мире всегда занимала одно из центральных мест в физиологии и биохимии растений. В настоящий момент большое внимание уделяется выяснению месту и роли в высших растениях микроэлемента селена. Это обуслов-лено тем, "что прогрессирующий дефицит данного элемента в растительных кормах и пище человека является причиной нескольких десятков тяжелых заболеваний, включая сюда инфаркт миокарда, инсульт и диабет, тяжелые поражения печени и расстройства половой системы, иммунодефишпы и т.д. Широкомасштабной коррекции дефицита селена в пище человека и рационах животных препятствует недостаток знаний о функциях селена в мире высших растений, К моменту начала наших работ была известна лишь гипотеза о том, что селен способен интенсифицировать фотосинтетические процессы и регулировать митохондриальную активность клеток (Bollard, 1983). Помимо этого накоплен обширный, но не обобщенный материал по абсорбированию селена различными сельскохозяйственными и лекарственными растениями (Ермаков, Ковальский, 1974; Girling, 1984; Ягодин, Торшнн, 1994-2001; Голубкина, 1999).
Мы предположили, что в растительном мире селен выполняет ту же основную роль, что и в животном мире - адаптивно-защитную и способен благоприятно влиять на рост и развитие растений, особенно в стрессовых условиях. Именно эта ситуация более всего характерна для интродукции редких и нетрадиционных растений, всегда сопряженной со множеством стрессов. К числу таких растений откосится перспективная кормовая культура - козлятник восточный (Gafega orientalis), отличающаяся низкой стресс-резистентностью на ранних этапах онтогенеза. В связи с этим изучение влияния соединений селена на рост и развитие высших растений, в том числе и козлятника восточного, увеличение с помощью данного микроэлемента адаптивного потенциала растений следует считать актуальными.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось изучение влияния селена в форме селената натрия на ростовые процессы и адаптивные возможности козлятника восточного в нормальных и стрессовых условиях, при лабораторном и полевом культивировании,
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
выявить возможность стимуляции селеном процессов роста и развития козлятника восточного;
найти оптимальные ростостимулирующие дозы селена и определить зону его токсігческого действия для данного растения; выявить оіттимальаьгі^яееоб-фоїжкшмідайзрщего воздействия селена на козлятник і остсічишґ.'І.1 бальная і
ТЇАУЧ?-ҐАЯ БИБЛИОТЕКА [ Моск. сопе5--:о;оз акадамии [
выявить и оценить степень способности селена усиливать адаптивные возможности козлятника восточного в стрессовых, условиях;
найти основные причины антистрессового эффекта селена для растений;
определить способность селена влиять на интенсивность фотосинтеза и сим биотическую деятельность козлятника восточного;
оценить способность козлятника восточного к аккумуляции селена.
Научная новизна. Впервые установлено, что воздействие низких доз
селена на козлятник восточный путем обработки семян, опрыскивания растений или внесения в почву увеличивает его адаптивные возможности и продуктивный потенциал. Найдено, что антистрессовая активность селена вызвана усилением им антиоксидантного потенциала растений, увеличением протеи-назкой активности ферментов и интенсификацией накопления в тканях универсального защитного вещества - свободного пролина. Показано, что ростости-мулирутощий эффект низких доз селена обусловлен его способностью усиливать клеточное деление, снижать негативные последствия стрессов, повышать интенсивность фотосинтеза и симбиотическую деятельность растений, а при внесении в почву - способностью увеличивать ее биологическую активность.
Практическая значимость. Доказана возможность практического использования соединений селена для повышения сопротивляемости стресс-чувстеи тельных сельскохозяйственных растений неблагоприятным внешним воздействиям, что открывает новые перспективы успешной интродукции нетрадиционных и редких растений и позволяет увеличивать адаптивный потенциал традиционных сельскохозяйственных культур. Экспериментально обоснована целесообразность использования дешевого и доступного селената натрия для предпосевной обработки семян козлятника восточного с целью увеличения выживаемости и конкурентноспособности перспективной кормовой культуры в смешанных посевах, под покровом других культур и на засоренных сорняками полях, а также для увеличения урожайности. Выявленный факт интенсификации селеном деятельности почвенной микрофлоры может быть использоьан в практике эффективной очистки почв от пестицидов, нефтепродуктов и других отравляющих веществ.
Основные положения диссертационной работы, ьыносимые на защиту:
Селен является корректором адаптации растений козлятника восточного к неблагоприятным внешним воздействиям.
Увеличение адаптивного ресурса растений под воздействием селена обеспечивается позитивным влиянием его низких доз на антиоксидантный ста-
туе, деятельность протеиназ и выработку универсального осмопротектора -аминокислоты пролина.
Селен является для козлятника восточного росторегулятором, стимулируя его рост и развитие в низких дозах и угнетая послелние при использовании в высоких дозах,
Ростостимуляиия козлятника селеном обеспечивается усилением им клеточного деления, интенсивности фотосинтеза, симбиоза с клубеньковыми бактериями общей биологической активности почвы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались в 1998-2001 гг. на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и молодых ученых Пензенской ГСХА; 50-ой юбилейной конференции студентов и аспирантов Мичуринской ГСХА (1998); Международных научно-практических конференциях «Интродукция нетрадиционных и редких сельскохозяйственных растекнй» (Пенза 1998, 2000); IV съезде общества физиологов растений России (Москва, 1998); Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы лесостепных регионов» (Пенза, 2000); научно-практической конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства в изменяющихся экологических и экономических условиях в XXI веке» (Пенза, 2000); Всероссийской научно-практической конференции «Продукционный процесс сельскохозяйственных культур» (Орел, 2001); IV Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 2001); IV Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва-Пуишно, 2001); Конференция общества физиологов растений России (Уфа, 2001).
Публика и чи. По теме диссертации опубликовано 24 работы н получено положительное решение на выдачу патента.
Структура н* объем диссертации. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста н состоит из общей характеристики, обзора литературы (1 глава), экспериментальной части и ее обсуждения (3 главы), выводов, предложений производству, списка литературы, включающего 136 наименований, в том числе 44 зарубежных авторов. Диссертация включает 19 рисунков и 21 таблицу. Приложения состоят из 14 таблиц
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Объектом исследования выбран козлятник восточный (Galega orrentalis) сорта Гаде - одна из наиболее перспективных кормовых культур Среднего Поволжья и Центральной России, выгодно отличающаяся от традиционных многолетних кормовых трав высокой урожайностью (до 600 ц/га зеленой массы), стабильностью семенной продуктивности (6-9 ц/ra) и длительностью производственной эксплуатации посевов (15-18 лет) при минимальных уходных работах.
Изучение влияния селена на процессы роста и развития козлятника восточного осуществляли в 1997...2000 годах в лаборатории Пензенской государственной сельскохозяйственной академии и на опытном поле ее учебно-опытного хозяйства. Почва опытного поля — чернозем выщелоченный, средне-гумусный, средне мощный, тяжелосу глинистый. Почвообразуюшие породы -делювиальные легкие глины. Почва теплиц - серая лесная супесчаная. В вегетационных сосудах использовался тепличный почво-грунт. В полевых экспериментах растения выращивались в мелко де ляночных опытах, заложенных методом рендомизированных повторений. Посевная площадь делянки - 5 м2, учетная - 1 м1, норма высева семян - 0,4 млн. игг./га, глубина их заделки 1,5...2 см. В условиях закрытого грунта размер делянок составил 1,5 и2, учетная площадь - 1 м2. Посев осуществлен во второй декаде ноября 1997 года. Эксперимент, связанный с внесением селена в почву осуществлялся в вегетационных сосудах при норме высева 0,2 г семян на сосуд. Высев семян произведен в третьей декаде января.
Обработка семян козлятника селеном проводилась путем их замачивания в течение суток в растворах селената натрия 10"'...10"7 % концентраций. Семена предварительно скарифицировались и в течение суток выдерживались в дистиллированной воде. Опрыскивание козлятника растворами селената натрия 10'1 —10'? % концентраций осуществлено из стадии стеблевания и ветвления 60-и дневных растений. Дозы селената натрия составляли при этом 4 403... 4 -10" г Na^SeOj/ra Внесение селена в почву осуществляли за три дня до высадки семян путем ее однократного увлажнения растворами селената натрия в дозах 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 мг Se/кг почвы.
Энергию прорастания и всхожесть семян определяли по ГОСТу 12038-84, силу роста - по ГОСТу 12036-66.
Митотическую активность корневых меристем изучали в проростках возрасте 58.,.72 часа (через каждый 2 часа). Фиксацию, приготовление давленых препаратов и подсчет митотических индексов осуществляли по общепринятому методу (Паушева, 1988).
Объем корневой системы определяли методом вытесненной воды. Изучение динамики роста растений, накопление зеленой н сухой биомассы, учет урожая и другие сопутствующие исследования проводили по методикам Гос-сортсети(1971), ВНИИ кормов им. В.РВильямса (1971,1987) и Г.С.Посыпанова (1991),
Оценку чистой продуктивности фотосинтеза проводили методом половинок Сакса.
Опенку влияния селена на общую протеиказную активность ферментов в прорастающих семемах козлятника осуществляли по методике Н.Н.Третьякова (1982).
Влияние селена на накопление в тканях листьев свободного пролина оценивали по методу L.Bates et al (1973).
Содержание в растениях пито ки ни нов проводили по методу Г.Р.Кудояровой и др. (1989),
Влияние селена на интенсивность перекисних процессов оценивали по методу Л.И.Андреевой и др, (1988), на активность супероксидаисмутазы (СОД) - по методу C.N.Giannopolitis et а1 (1977), на активность глутатнонредук-тазы (ГР) - по методу M.Schaede et al (1977), на активность аскорбатпероксида-зы - по методу Y.Nokano et а) (1981).
Влияние селена на засухо- и жароустойчивость проростков козлятника осуществляли путем определения сохранности запасов статолитного крахмала в клетках корневых чехликов в пострессовый период: после выдерживания трехдневных проростков в эксикаторе над 8% раствором хлорида натрия в течение 24 часов и после выдерживания проростков в водяной бане при температуре 37С в течение одного часа (Генкель, Баданова, 1970). Оценку влияния селена на способность проростков козлятника противостоять действию растворов с высоким осмотическим давлением осуществляли по методу Г.В,Удовенко (1970), состоящему в определении доли проросших и нормально развившихся проростков в растворах сахарозы с осмотическим давлением 10,14 и 18 атм. Влияние селена на резистентность к гипоксии осуществляли путем диагностирования проростков на их устойчивость к вымоканию по стандартной методике (Третьяков, 1982). Оценку влияния селена на солеустойчивость проростков осуществляли по методике Бухингера, Критериями солеустойчивостн служили показатели прорастания и нормального развития проростков на 7-ые сутки выращивания в растворах хлорида натрия 0,1; 0,5 н 1,0% концентраций.
Влияние селена на формирование сим биотического аппарата козлятника восточного проводили по методике Г.С.Посыпанова (1991).
Учет бактерий в ризосфере козлятника, выращенного на почве, обогащенной селеном (оценка общей биологической активности почвы) проводили методом Красильникова (Теппер, Школьникова, 1993).
Определение содержания селена в растительном материале проводили флюор и метрическим методом по методическим указаниям МУК 4,1.044-95.
Результаты исследований были подвергнуты статистической обработке по общепринятым методикам (Рокнцкин, 1967). Компьютерную обработку данных осуществляли на 1BMPOAT-4S6 по программе Е.А.Доспехова (1985),
