Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 11
1.1. Роль воды в жизнедеятельности растений. Циркуляция водных растворов по растению 11
1.2. Корневое давление - нижний концевой двигатель восходящего водного тока 22
1.3. Сложная природа корневого давления 28
1.4. Роль цитоскелета в формировании корневого давления 40
1.5. Участие фитогормонов в регуляции водонагнетающей деятельности корневой системы и водного обмена растения в целом 52
Глава II. Объект и методы исследования 61
II. 1. Объект и условия проведения опытов 61
II.2. Определение интенсивности эксудации 62
II.3. Наблюдения за эксудацией при погружении корней в гипертонический раствор в опытах по кросс-адаптации растений подсолнечника к перегреву и водному дефициту 65
II.4. Метаболические регуляторы, использованные при проведении опытов 67
II.4.1. Стабилизаторы микрофиламентов и микротрубочек 67
II.4.2. Ингибиторы функционирования микрофиламентов и микротрубочек 68
II.4.3. Фитогормоны 69
II.4.4. Ингибитор протеинкиназ - стауроспорин 70
Глава III. Стимулирующее воздействие фитогормонов - ИУК, кинетина и гибберелловой кислоты на интенсивность эксудации 71
Глава IV. Ведущая роль цитоскелета при стимуляции эксудации под влиянием фитогормонов 75
Глава V. Пути трансдукции сигнала при вызываемой фитогормонами стимуляции эксудации 82
Глава VI. Участие протеинкиназ при трансдукции сигнала, связанного со стимулирующим воздействием фитогормонов на водонагнетающую активность корня 88
Глава VII. Новые данные о сложной природе корневого давления (изменения водонагнетающей активности корневой системы после теплового шока) 92
Заключение 106
Выводы 109
Список литературы 111
- Роль воды в жизнедеятельности растений. Циркуляция водных растворов по растению
- Участие фитогормонов в регуляции водонагнетающей деятельности корневой системы и водного обмена растения в целом
- Стимулирующее воздействие фитогормонов - ИУК, кинетина и гибберелловой кислоты на интенсивность эксудации
- Новые данные о сложной природе корневого давления (изменения водонагнетающей активности корневой системы после теплового шока)
Роль воды в жизнедеятельности растений. Циркуляция водных растворов по растению
Растения, как и все живые организмы, содержат значительное количество воды. Содержание воды в отдельных тканях растения может превышать 95% от сырой массы; в среднем оно составляет 75 - 80%. Жизнь возникла в водной среде и ее активное проявление возможно только при наличии воды. Вода не может быть заменена никакой другой жидкостью - это именно та среда, только в которой и возможно протекание процессов жизнедеятельности. [Сент-Дьерди, 1960]
Вода обладает уникальными физико-химическими свойствами, позволяющими, протекать и простым химическим реакциям, и сложнейшим биохимическим процессам с участием ферментов, не растворимых в воде липидов, полисахаридов и других соединений. Вода является постоянным компонентом всех метаболических процессов не только потому, что она непосредственно участвует в химических реакциях (например, при фотосинтезе или гидролизе), а, главным образом, потому, что и свойства воды, и свойства растворенных в ней веществ, в том числе и макромолекул, зависят друг от друга. Макромолекулы с окружающими их молекулами воды образуют комплексы, только в которых макромолекулы сохраняют свою конформацию и биологическую активность. Гидрофобно-гидрофильные взаимодействия со сложными органическими молекулами позволяют поддерживать тонкую ультраструктуру клеток. Вода обладает высокой удельной теплотой парообразования и теплоемкостью, что имеет немаловажное значение для охлаждения организма, и обеспечивает более плавный ход изменений температуры тела растения. При переходе к рассмотрению роли воды в целом растении следует отметить, что вода начинает выполнять новые функции, присущие более высокоорганизованным системам. Появляется необходимость связи разделенных в пространстве процессов как внутри клетки, так и между различными клетками, тканями и органами.
Ксилема находится в тесной связи с флоэмой и поэтому некоторые авторы считают гидродинамическую связь между этими тканями очень важной для радиального потока воды между клетками, а также для суточного и сезонного изменений диаметра стебля. [Zimmermann & Brown, 1980; Hinckley et. al., 1978; цит. no Zimmermann, 2004] Первые доказательства того, что вода и растворенные в ней вещества рециркулируют между ксилемой и флоэмой, работая подобно cable cars , были сделаны Габерлендом. [Haberlandt, 1892; цит. по Zimmermann, 2004]. Мюншер [Muenscher, 1922] и Мюнх [Munch, 1930], так же как и Таннер и Биверс [Tanner & Beevers,1990], добавили доказательства к этому представлению, [цит. по Zimmermann, 2004] Сейчас уже имеется достаточно сведений о том, что вода в теле растения циркулирует, т.е. поток жидкости, идущий вверх по ксилеме, меняет свое направление, когда достигает листа, и вместе с ассимилятами начинает двигаться уже по флоэме, доставляя их в корневую систему. В корневой системе поступившая из побегов вода из элементов флоэмы переходит в ксилему, где объединяется с водой, поглощенной из почвы, и снова подается в надземные органы. Это подтверждается исследованиями, проведенными с применением метода ЯМР, показавшего рециркуляцию значительных объемов жидкости у нетранспирирующих проростков Ricinus communis [Kockenberger et. al., 1997]. Совершенствование экспериментальной техники позволило обнаружить, что скорость ксилемного тока и объем потока возрастает или уменьшается в зависимости от режима света и темноты. [Rokitta et. al., 1999a,b; Peuke et. al., 2001] Между тем скорость флоэмного потока не зависит от режима освещенности, но объем потока увеличивается в темноте. Это позволило сделать вывод, что поры ситовидных трубок, которые закрываются протеиновыми нитями во-время светового периода, становятся временно открытыми во-время темноты, для того, чтобы осуществлялась рециркуляция ксилемного потока. Флоэма при этом играет решающую роль в регуляции рециркуляции воды. [Zimmermann et. al., 2002с and unpublished data; цит. no Zimmermann, 2004] Водные потоки как восходящие по ксилеме, так и нисходящие по флоэме обмениваются между собой. [Волков, 1999] Вода при этом выполняет важную связующую и транспортную роль. Связующая роль воды заключается в том, что она образует единую гидродинамическую систему, [Реуцкий, Родионов, 1982; Реуцкий, 1984] в которой могут направленно передвигаться различные вещества. Передвижение веществ в водной фазе может происходить не только путем диффузии, но и с помощью контрактильных белковых систем; так переносятся рибосомы, органеллы, везикулы и некоторые белки.
Транспортная роль воды связана с переносом веществ вместе с потоком воды. В клетках растений происходит постоянная циркуляция воды с растворенными в ней веществами и веществами, образующими коллоиды; этот процесс называется циклозисом. Межклеточный транспорт воды с веществами может осуществляться через плазмодесмы; этот процесс объединяет отдельные клетки в единое целое - симпластный домен.
Все это обеспечивает согласованную работу функционально и структурно дифференцированного организма. Именно благодаря циркуляции водных потоков непрерывно доставляются необходимые метаболиты и удаляются вредные вещества, осуществляется взаимосвязь между клетками, тканями, органами, обеспечивается поддержание гомеостаза и функционирование растения как единого целого.
Следовательно, живой организм подобен не изолированному водоему со стоячей водой, а проточному водоему, в котором вода непрерывно обменивается. [Жолкевич и др., 1989]
Вода выполняет важную регуляторную и сигнальную роль. Если, например, вода перестала поступать из корневой системы, или перестала испарятся в процессе транспирации, то по растению практически моментально проходит гидравлический импульс - с этим связана сигнальная роль воды. [Карманов и др., 1974; Malone, 1993; Полевой и др., 1997]
По мнению Гана Рихтер и Пиери Краизиат [Richter and Cruiziat, 2002] история развития взглядов на природу транспорта воды в целом растении может быть условно поделена на три периода: период подготовки, продолжавшийся до 1889 года, когда водный обмен в растении рассматривался исключительно с позиции активного участия живых клеток; второй период, когда водный обмен в растениях стали рассматривать как простой физический процесс; этот период начался после выхода книги Эдуарда Страсбургера в 1891 [Strasburger, 1891] и продолжался до 1924 года, после которого следует современный период.
Первая попытка объяснить значение водного транспорта в растениях была сделана Вильямом Гарвей [Harvey, 1628 цит. по Modern History Sourcebook] и Марчело Мальпиги в 1661 году, которые сравнивали водный транспорт в растениях с циркуляцией крови у позвоночных животных. [Malpighi, 1671, цит. по History of Science] Они полагали, что сосуды растений необходимы для переноса воздуха, в то время как волокна необходимы для транспорта воды. В 1727 году Гэльс обнаружил корневое давление. [Hales, 1727; цит. по White, 1938] Он также был первым ученым, который показал, что вода в растениях движется однонаправлено из почвы к транспирирующим листьям [Hales, 1727; цит. по Richter and Cruiziat, 2002].
Хотя ткани, осуществляющие транспорт, таким образом, были окончательно определены в конце 18-го и начале 19-го веков, оставалась еще проблема определения этих путей на микроскопическом уровне, решение которой затянулось до второй половины 19-го века. Тогда были оживленные дискуссии по поводу того, какие полости элементов ксилемы являются проводящими (трахеи или трахеиды) и при этом заполнены ли они водой, воздухом или содержат воду с воздушными пузырьками. Различные авторы предлагали самые разнообразные пути движения воды. Унгер, Сакс [Sachs, 1875] и Пфеффер [Pfeffer, 1881] считали, что вода движется в лигнифицированных клеточных стенках, а проводники заполнены воздухом. Боэм, Страсбургер [Strasburger, 1891], Швенденер [Schwendener, 1881] и некоторые другие исследователи полагали, что транспорт осуществляется по удлиненным трубкоподобным полостям. Известный швейцарский ботаник Августин Пирамус де Кандоле [De Candolle, 1813] и его последователи утверждали, что основная роль при движении воды принадлежит внутриклеточному пространству (симпласт).
Участие фитогормонов в регуляции водонагнетающей деятельности корневой системы и водного обмена растения в целом
Вызывающее рост вещество из верхушек колеоптилей Вент назвал «ростовым веществом». Открытие Вента вызвало огромный интерес среди исследователей. Вначале этот вопрос представлялся сравнительно простым. Уже в первой своей работе, ставшей почти классической, «Ростовое вещество и рост» Вент [1928] выдвинул гипотезу, согласно которой ростовое вещество, или, как его стали иначе называть, ростовой гормон, каким-то образом способствует размягчению клеточной оболочки, и она поэтому легче растягивается под влиянием тургорного давления. А это приводит к усиленному насасыванию клеткой воды, что внешним образом и проявляется в увеличении ее объема, т.е. приводит к ее росту растяжением [Максимов, 1946].
Позднее этот взгляд был подробно разработан в ряде работ Гейном [Неуп, 1940], который показал, что действительно под влиянием обработки ауксином пластичность клеточной оболочки увеличивается, и она начинает оказывать тургорному давлению меньшее сопротивление. Эту же точку зрения проводили Вент в своей известной монографии о фитогормонах, написанной им вместе с Тиманом [Went a. Thimann, 1937], и ряд других авторов.
Вскоре, однако, стало выясняться, что дело обстоит значительно сложнее. Действие ауксина на растительный организм оказалось чрезвычайно многообразным, физиологически поливалентным. И, конечно, трудно предположить, что все разнообразные изменения, вызываемые ауксином, объясняются исключительно увеличением пластичности клеточной оболочки [Максимов, 1946]. Было показано, что под влиянием фитогормонов увеличивается интенсивность как процессов синтеза [Холодный и Горбовский, 1939; Скворцов, 1949; Brunstetter, Myers, Mitchell, Stuart a. Kaufman, 1948; Mitchell, 1941, и др.]; усиливается поглощение воды и растворенных веществ Stuart, 1939, и др.], так и дыхания [Commoner a. Thimann, [Максимов, 1946а,б; Можаева, 1947; Тагеева и Боровцына, 1948; Якушкина, 1948, и др.]; усиливается гидролиз ди- и полисахаридов [Ruge, 1937а; Mitchell а. Stuart, 1939, и др.]; увеличивается количество тургорогенов [Ruge, 1937а]; происходит перераспределение веществ в растении [Ракитин, 1947; Турецкая, 1949; Ракитин и Крылов, 1950; Сухоруков и Семовских, 1946, и др.]; вязкость протопласта уменьшается [Максимов, 1946а; Можаева, 1948; Northen, 1942], а ее проницаемость - увеличивается [Максимов, 1946а,б]; возрастает скорость ротационного движения цитоплазмы [Sweeney, 1941] и т. д.
Значительно более правдоподобным является предположение, что действие фитогормона нацелено, прежде всего, на протоплазму растительных клеток и что действие их на клеточную оболочку является уже вторичным [Максимов, 1946].
Наиболее бросающимся в глаза результатом действия ауксина на клетку, является значительное усиление притока в нее воды.
Необычайно быстрое увеличение содержания воды в клетках под влиянием ИУК теория Вента-Гейна, объясняет возрастанием сосущей силы клеточного содержимого вследствие увеличения растяжимости клеточной оболочки, так как величина сосущей силы определяется разностью между осмотическим давлением содержимого и противодавлением эластично растянутой клеточной оболочки. Другим источником повышения сосущей силы могло бы явиться повышение концентрации клеточного сока. А это повышение концентрации может быть достигнуто либо гидролизом имеющихся в клетках запасов полисахаров, например крахмала, и других высокомолекулярных соединений, либо, как полагал Коммонер [Commoner, Fogel a. Muller, 1943], их усиленным притоком извне. По представлениям Коммонера и сотрудников, действие ауксина заключается в том, что он вызывает усиление дыхательного процесса, что приводит к усиленному накоплению клеткой солей, а это в свою очередь влечет за собой повышение, как осмотического давления, так и сосущей силы и усиление поступления в клетку воды.
Гипотеза Коммонера вызывает, однако, серьезные возражения. Прежде всего, ауксин обнаруживает свое действие не только в тех случаях, когда клетка находится в растворе какой-либо соли, но и когда она окружена чистой водой [Якушкина, 1948] и когда об усилении поступления в нее солей не может быть и речи. Кроме того, проведенные ван-Овербиком [van Overbeek, 1944] прямые криоскопические определения показали, что осмотическое давление клеточного сока, выжатого из тканей, подвергнутых действию ауксина, а в силу этого обнаруживших повышенную сосущую силу, оказалось не более высоким, но, наоборот, более низким, чем осмотическое давление сока, выжатого из необработанных, контрольных тканей. Были получены данные, показывающие, что одновременно с усилением роста в фазе растяжения при действии ауксина наблюдалось понижение осмотического давления клеточного сока, причем, чем сильнее стимулировался рост, тем в большей степени уменьшалось осмотическое давление (не смотря на увеличение количества осмолитов) [Жолкевич, 1954]. Поэтому гипотеза Коммонера-Тимана вряд ли может быть признана удовлетворительно объясняющей природу действия ростовых веществ на растительные клетки [Максимов, 1946; Жолкевич, 1954].
Штруггер [Strugger, 1934] пытался свести действие гетероауксина на протоплазму к набуханию ее под влиянием повышения концентрации водородных ионов и утверждал, что ростовой эффект гетероауксина обусловливается в первую очередь тем, что он представляет собой кислоту. Существовали и другие теории, объясняющие влияния фитогормонов на степень гидратации протопласта и на электрический заряд ее мицелл [van de Sande-Bakhuizen, 1930; Czaia, 1935].
Максимов Н.А. со своей сотрудницей Можаевой Л.В. на кафедре физиологии растений Тимирязевской с.-х. академии, установили, что слабые растворы ИУК, в пределах нормального физиологического действия, оказывают заметное влияние на протопласт. При этом изменяются коллоидно-химические свойства протопласта, усиливается способность к синтезу конституционных белков за счет притекающих в клетки или уже отложенных в них веществ и, благодаря активной деятельности протопласта, резко возрастает поглощение воды и растворенных веществ [Максимов, 1941; 1946а,б; 1948].
Как было отмечено выше, наиболее бросающимся в глаза проявлением действия ИУК на растительные клетки является усиленное поступление воды в вакуоль. Н.А. Максимов, основываясь на представлениях о возможности неосмотического движения (активной секреции) воды из плазмы в вакуоль в соответствии с опытами Мэсона и Филлиса, Беннет-Кларка [Bennet-Clark а. Вехоп, 1940] делает предположение, что ростовые вещества каким-то образом способствуют усилению секреции воды в вакуоль, сравнивая их действие с мочегонными препаратами, которые, обладая разнообразной химической природой, способствуют усиленному выделению воды против градиента концентрации [Максимов, 1946]. Опыты Мэсона и Филлиса, Беннет-Кларка и некоторых других авторов (в особенности van Overbeek, 1944) заставляют нас в корне пересмотреть наши представления о растительной клетке как осмотической системе. Если раньше мы считали, что клеточный сок, отделенный от протопласта полупроницаемым тонопластом, оказывает на него гидростатическое давление, соответствующее его осмотическому давлению, и заставляет его растягиваться и плотно прижиматься к клеточной стенке, передавая последней это давление и вызывая в ней тургорное напряжение, то теперь приходится признать, что протопласт активно выдавливает воду в вакуоль, которая находится под давлением со стороны протопласта. Плазмолиз, по этим представлениям, не дает истинной величины осмотического давления клеточного сока. Его показания оказываются несколько преувеличенными, так как плазмолизирующему раствору приходится не только преодолевать осмотическое давление со стороны веществ, растворенных в водной фазе протопласта, но и то давление эксудации, которое оказывает протопласт на вакуоль. Передвижение воды в протопласте оказывается при этом полярным, она легче передвигается снаружи внутрь, от оболочки к вакуоле, чем обратно. Образование вакуоли, согласно этим воззрениям, является актом секреции воды и растворенных в ней веществ вопреки градиенту концентрации. А классическая формула осмотических соотношений в клетке, S.P.=O.P.-W.P., т.е., что сосущая сила равна осмотическому давлению клеточного содержимого минус противодавление клеточной оболочки, заменяется новой формулой S.P.= [О.Р. + А.Р.] .-W.P., т.е., что величина сосущей силы определяется суммой осмотического давления клеточного сока и «активного» давления (А.Р.), вызываемого экскрецией в него воды из протопласта минус противодавление клеточной оболочки. И при этом А.Р. может быть не только меньше или равно О.Р., но даже больше его. Чем вызывается эта активная секреция воды и растворенных в ней веществ в вакуоль, пока что остается не выясненным. Исходя из этих представлений, можно сказать, что фитогормоны главным образом влияют на величину А.Р., т.е. активного выдавливания воды в вакуоль, и тем увеличивают S.P. К этому присоединяется также и одновременное снижение величины W.P., т.е. противодавления клеточной оболочки, так как она испытывает при этом под действием ауксина некоторое размягчение или увеличение пластичности.
Стимулирующее воздействие фитогормонов - ИУК, кинетина и гибберелловой кислоты на интенсивность эксудации
С целью выяснения механизма стимулирующего действия ИУК, кинетина и гибберелловой кислоты на эксудацию в опытах с отделенными корнями этиолированных проростков кукурузы было испытано совместное действие этих трех фитогормонов в различных сочетаниях между собой. Из рисунков 7, 8, 9 видно, что все перечисленные фитогормоны стимулировали эксудацию, как по отдельности, так и при их совместном присутствии в инкубационной среде. Вместе с тем видно, что при совместном применении ИУК и кинетина, ИУК и гибберелловой кислоты, кинетина и гибберелловой кислоты никакой аддитивности стимулирующих эффектов не было. Хотя, как известно действие всех фитогормонов физиологически поливалентно, эти данные все же дают нам основание полагать, что действие фитогормонов при стимулировании ими эксудации нацелено на одну и ту же мишень, иначе бы можно было бы ожидать проявления (в той или иной степени) аддитивности их действия. Наша дальнейшая задача заключалась в выяснении природы этой мишени.
Ранее было показано, что ингибиторы контрактильных систем подавляют эксудацию, а стабилизаторы этих систем оказывают диаметрально противоположный эффект. Это указывало на зависимость эксудации от функционирования названных систем [Zholkevich, 1991; Жолкевич, 2001]. Кроме того, было показано, что стимулирующее воздействие ИУК, кинетина и гибберелловой кислоты на эксудацию полностью нивелируется в присутствии дезинтегратора микрофиламентов цитохалазина Б или дезинтегратора микротрубочек колхицина. Более того, в присутствии названных ингибиторов эксудация тормозилась в такой же степени, как будто в инкубационной среде присутствовали одни лишь ингибиторы, а никаких фитогормонов вовсе не было [Жолкевич, Чугунова, 1995]. Исходя из этого, мы испытали совместное воздействие на эксудацию каждого из трех исследованных нами фитогормонов ИУК, кинетина и гибберелловой кислоты со специфическим ингибиторами полимеризации G-актина (т.е. перехода G-актина в F-актин) ЛАТБ, а также повторили соответствующие опыты с ЦХБ и КХЦ.
Обнаружено, что вызываемое фитогормонами ускорение эксудации у отдельных корней полностью нивелируется в присутствии дезинтеграторов как микрофиламентов (ЦХБ, ЛАТБ), так и микротрубочек (КХЦ); более того, эксудация тормозится в такой же степени, как будто в инкубационной среде присутствуют лишь одни ингибиторы внутриклеточных контрактильных систем, а никаких стимуляторов вовсе нет. Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 10-15. Полученные данные делают вероятным, что при стимуляции эксудации действие фитогормонов так или иначе нацелено именно на микрофиламенты и микротрубочки.
Новые данные о сложной природе корневого давления (изменения водонагнетающей активности корневой системы после теплового шока)
При изучении механизмов кросс-адаптации растений к перегреву и водному дефициту были получены новые данные подтверждающие представление о сложной природе корневого давления и о существовании его МС.
К настоящему времени убедительно показано, что кратковременный тепловой шок (ТШ) повышает устойчивость растений или изолированных клеток не только к перегреву, но и к последующему солевому стрессу [Benzioni, Itai, 1975; Harrington, Aim, 1988; Kuznetsov, Rakitin, Borisova, Rotschupkin, 1993; Kuznetsov, Shevykova, 1997], водному дефициту [Bonham-Smith, Kapoor, Bewley, 1987; Kuznetsov, Rakitin, Zholkevich, 1999; Кузнецов, Ракитин, Опоку, Жолкевич, 1997; Жолкевич, Зубкова, Маевская, Волков, Ракитин, Кузнецов, 1997], высоким концентрациям солей тяжелых металлов [Bonham-Smith, Kapoor, Bewley, 1987; Neumann, Lichtenberger, Tschiersh, Nover, 1994], УФ облучению [Doeler, Hoffman, Stappel, 1994; Борисова, Бугадже, Мешкова, Власов, 2001; Борисова, Бугадже, Ракитин, Власов, Кузнецов, 2001], биопатогенам [Lurie, Klein, Fallik, 1994] и некоторым другим стрессорам. В ряде случаев было продемонстрировано, что адаптация растений к засолению или водному дефициту сопровождается повышением устойчивости не только к этим факторам, но и к гипертермии [Kuznetsov, Rakitin, Borisova, Rotschupkin, 1993; Bonham-Smith, Kapoor, Bewley, 1987; Kuznetsov, Rakitin, Zholkevich, 1999; Кузнецов, Ракитин, Опоку, Жолкевич, 1997; Жолкевич, Зубкова, Маевская, Волков, Ракитин, Кузнецов, 1997]. Это означает, что кратковременная гипертермия индуцирует формирование механизмов устойчивости растений к факторам иной природы, и наоборот, то есть речь идет о функционировании общих механизмов устойчивости к различным стрессорным воздействиям.
Согласно довольно широко распространенному представлению, в основе кросс-адаптации растений может лежать новообразование белков теплового шока (БТШ), которые синтезируются в организме в ответ на кратковременную гипертермию и обладают стресс- защитным эффектом, описываемым моделью "молекулярного шаперона" [Harrington, Aim, 1988; Neumann, Lichtenberger, Tschiersh, Nover, 1994; Doeler, Hoffman, Stappel, 1994; Sabehat, Weiss, Lurie, 1998]. Однако данный протекторный механизм развития кросс-адаптации, по-видимому, не является универсальным, поскольку в ряде случаев индуцируемое ТШ повышение устойчивости к повреждающим факторам другой физической природы не связано с новообразованием БТШ [Kuznetsov, Rakitin, Borisova, Rotschupkin, 1993; Kuznetsov, Shevykova, 1997]. При этом протекторную роль может, в частности, играть индуцируемая ТШ внутриклеточная аккумуляция совместимых осмолитов в процессе последующей адаптации растений к засухе, засолению или другим неблагоприятным условиям. Так, кратковременная гипертермия многократно стимулировала аккумуляцию совместимых осмолитов в ходе последующей адаптации растений хлопчатника к избыточному засолению [Kuznetsov, Rakitin, Borisova, Rotschupkin, 1993] и прогрессирующей почвенной засухе [Жолкевич, Зубкова, Маевская, Волков, Ракитин, Кузнецов, 1997; Kuznetsov, Rakitin, Zholkevich, 1999].
Согласно полученным данным [Кузнецов, Ракитин, Опоку, Жолкевич, 1997; Kuznetsov, Rakitin, Zholkevich, 1999], адаптация растений хлопчатника к продолжительной засухе после кратковременной гипертермии проявлялась не только на молекулярном и биохимическом уровнях, но также и на уровне регуляции важнейших физиологических процессов, таких, например, как водный обмен. Тепловой шок не только повышал устойчивость растений хлопчатника к перегреву и последующей почвенной засухе, но и приводил к увеличению оводненности листьев, одновременно стимулируя их водоотдачу (транспирация усиливается, а водоудерживающая способность уменьшается). Иными словами, ТШ в условиях последующего водного дефицита препятствовал обычно наблюдаемому при засухе замедлению столь необходимых для жизнедеятельности процессов водообмена, в чем и проявлялся один из его защитных эффектов. Разумеется, это возможно лишь при одновременной интенсификации подачи воды из корней в побеги. Соответствующее предположение было высказано в работе [Кузнецов, Ракитин, Опоку, Жолкевич, 1997]. Для экспериментальной проверки этого предположения и было предпринято исследование влияния ТШ на водонагнетающую активность корневой системы (т.е. на подачу воды из корней в побеги) при последующем водном дефиците, который создавали переносом растений на гипертонический раствор NaCl (17 мМ).
Обычно после окончания ТШ тургор листьев в той или иной степени ослабевал. Однако через 1,5-3 ч он, как правило, восстанавливался. Во всяком случае, на следующий день (когда начинали наблюдения за водонагнетающей деятельностью корневой системы) все перенесшие ТШ растения выглядели вполне тургесцентными.
Устойчивость листьев к перегреву в первые 2 ч после окончания ТШ большей частью несколько уменьшалась по сравнению с контрольными растениями. Затем она быстро возрастала, и уже через сутки могла превысить устойчивость контрольных растений в 2-4 раза, после чего постепенно снижалась. Результаты одного из опытов представлены на рис. 20. Таким образом, ТШ определенно увеличивал устойчивость листьев к перегреву, что полностью согласуется с данными, ранее полученными в опытах с растениями хлопчатника [Кузнецов, Ракитин, Опоку, Жолкевич, 1997]. Вместе с тем, ТШ стимулировал водонагнетающую деятельность корневой системы, судя по тому, что интенсивность эксудации в сравнении с эксудацией не подвергавшихся действию ТШ растений возрастала, причем стимулирующий эффект со временем даже усиливался: на 2-е сутки он был выше, чем на 1-е, а на 4-е сутки - выше, чем на 2-е (рис. 21).
Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что ТШ стимулировал эксудацию не только у растений, корни которых находились в воде, но также и у растений, перенесенных на гипертонический раствор NaCl. Если у не подвергавшихся воздействию ТШ растений эксудация на растворе NaCl в сравнении с эксудацией у растений на воде заметно ослабевала (что, пожалуй, и не удивительно), то у растений, испытавших ТШ, интенсивность эксудации на растворе NaCl не только существенно (в 2,5-3 раза) превышала таковую у не подвергнутых ТШ растений, но могла превысить даже интенсивность эксудации растений, находившихся на воде (в том числе и растений, подвергнутых ТШ, которые выделяли эксудат наиболее интенсивно) (рис. 21., на 2-е сутки после ТШ). Следовательно, эти данные подтверждают справедливость предположения [Кузнецов, Ракитин, Опоку, Жолкевич, 1997] об индуцируемом ТШ усилении водонагнетающей активности корневой системы при последующем водном дефиците.
Естественно возникает вопрос о движущих силах подобного усиления эксудации. В самом деле, осмотическое давление раствора NaCl более, чем вдвое превышало осмотическое давление эксудата растений, корни которых находились в воде. Исходя из классических представлений о сугубо осмотической природе корневого давления, эксудация в данном случае вообще невозможна, а чем уже говорилось выше. Тем не менее, довольно скоро эксудация все-таки начиналась (т.е. она начиналась при отрицательном градиенте осмотического давления между эксудатом и наружным раствором), причем ее скорость на 2-е сутки после ТШ была даже выше, чем у корней любого другого варианта. Это полностью согласуется с давно уже установленными фактами, согласно которым эксудация вполне допустима и при отрицательном градиенте осмотического давления между эксудатом и наружным раствором; она прекращается лишь тогда, когда осмотическое давление наружного раствора примерно вдвое превысит осмотическое давление эксудата [Overbeek, 1942; Жолкевич, Синицына, Пейсахзон, Абуталыбов, Дьяченко, 1979; Жолкевич, Гусев, Капля, Пахомова, Пилыцикова, Самуилов, Славный, Шматько, 1989; Zholkevich, 1991; Жолкевич, 2001; Пилыцикова, Панфилова, 2004].
