Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности солеустойчивости растений и изолированных структур 8
1.1. Реакция растений на засоление среды 8
1.2. Реакция изолированных органов на засоление и вопрос о диагностике солеустойчивости растений 13
Глава 2. Задачи, объекты и методы исследования 18
Глава 3. Реакция проростков и изолированных структур огурцов и томатов на засоление среды 24
3.1. Действие засоления на проростки и гипокотильные черенки
3.2. Действие засоления на изолированные семядоли и листья
3.3. Эффект действия засоления при сочетании с другими факторами 50
Глава 4. Действие засоления на физиологическое состояние изолированных структур 67
4.1. Состояние оводненности изолированных структур при засолении 67
4.2. Специфика засоления среды и содержание катионов в биомассе 72
4.3. Влияние засоления на содержание хлорофилла 80
4.4. Содержание свободного пролина и общего белка при засолении 86
Глава 5. Реакция изолированных структур на засоление и вопрос о ее соответствии солеустойчивости растений
5.1. Характеристика эффекта действия разного засоления
5.2. Перспективы использования реакции структур на засоление для оценки солеустоичивости растений 101
Заключение
Выводы
Литература
Приложение
- Реакция растений на засоление среды
- Действие засоления на проростки и гипокотильные черенки
- Состояние оводненности изолированных структур при засолении
Введение к работе
Актуальность темы. Солеустойчивость - одно из важных наследственных свойств культурных и дикорастущих растений в онтогенезе. Солончаки занимают огромные территории земного шара и их площадь ежегодно растет (Келлер, 1948; Ковда, Розанова, 1988; Косулина и др., 1993). Отсюда изучение солеустойчивости актуально для познания не только экологии растений (Генкель, 1970; Удовенко, 1977; Строгонов, 1962, 1973; Манойленко, 1983; Waisel, 1972; Greenway, Munns, 1980), но животных и микроорганизмов. Изучению особенностей солеустойчивости растений посвящена большая литература, полный охват ее не представляется возможным в рамках задач работы.
Внимание также уделяется изучению генетических механизмов приспособления растений к засолению среды, особенно к солям тяжелых металлов (ТМ) (Феник и др., 1995; Чиркова, 2002; Antonovics et al., 1971; Bradshaw, Mc Neilly, 1981; Bone, Farres, 2001; Hendry et al., 2001). В связи с этим встает задача изучения физиологии действия солей на растения с привлечением соответствующих подходов путем использования возможностей культуры изолированных органов. До сих пор больше уделялось внимание изучению продуктивности физиологии и методам диагностики солеустойчивости растений - вопросам, имеющим важное теоретическое и практическое значение. Предложены различные лабораторные и полевые методы диагностики солеустойчивости культурных и дикорастущих видов. Однако их результаты не всегда соответствуют друг другу. Наиболее экологическим требованиям растений отвечают полевые наблюдения и испытания или приближенные к ним экспериментальные подходы (Строгонов, 1962, 1977; Генкель, 1970; Удовенко, 1977). Однако они не всегда осуществимы из-за необходимости продолжительного времени и больших затрат для реализации. Поэтому задачей все еще остается разработка модельных лабораторных подходов для оценки реакции растений на специфику и уровень действия засоления среды.
В этих же целях стали использовать изолированные клетки и каллусы, а иногда даже и отдельные органы (Смирнов, 1970; Калинин и др., 1980; Кучеренко, 1993; Бутенко, 1999). В то же время, оказалось, что реакция изолированных клеток и каллусов на засоление (Комизерко, Хретонова, 1973; Slama et al., 1987; Mills et al., 1992; Gulati et al, 1994; Sabu et al., 1995; Bajji et al., 1998) не всегда соответствует таковой целого растения (Строгонов и др., 1970; Удовенко, 1990; Белянская и др., 1993; Керимов и др., 1993; Шевяковаи др., 1994). На примере стеблевых черенков, изолированных листьев и семядолей ряда растений была изучена реакция на засоление среды (Абед Аль Азиз, 1991; Алиева и др., 1996; Алиева, 2001; Омарова, 2002; Магомедова, 2003) и обнаружено, что морфофизиологическое направление дифференциации структур в пределах растения сочетается возникновением различий в их реакции на солевой стресс (Алиева и др., 2000; Алиева, 2001; Магомедова и др., 2003).
При этом возникает необходимость конкретизации связи между спецификой дифференциации структур и их реакцией на засоление среды. Отсюда в задачи работы входит сравнительное изучение реакции изолированных различных вегетативных структур растений на солевой стресс по комплексу показателей и выяснение ее соответствия экологической толерантности вида и сорта. Также сравнения значимы и для познания физиологии солеустойчивости растений.
Цели и задачи исследования. Цель работы - изучение реакции разных структур огурцов и томатов на сернокислые соли для конкретизации возможностей их использования при оценке экологической толерантности растений к специфике и уровню засоления среды, что реализовалась в следующих направлениях:
1. Сравнительная агроэкологическая оценка комплекса показателей жизнеспособности у проростков, изолированных семядолей, листьев и гипокотильных черенков (далее «моделей») у огурцов и томатов при культивировании на засолении;
Изучение связи морфологических показателей жизнеспособности с изменением физиологического состояния «моделей» и подбор условий для блокировки эффекта засоления;
Характеристика моделей, отвечающих экологическим особенностям солеустоичивости огурцов и томатов.
Научная новизна работы. Конкретизирована возможность
использования разных изолированных органов и структур огурцов и томатов для агроэкологическои оценки солеустоичивости целого растения путем анализа морфологических и физиологических изменений под действием сернокислых солей. Определены различия между агроэкологическои солеустойчивостью растений и пороговой чувствительностью их изолированных структур по разным показателям жизнеспособности. Наиболее в этом совпадает реакция целого растения, гипокотильных черенков и проростков.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Обоснование возможностей использования реакции отдельных
изолированных структур на засоление среды для характеристики
агроэкологическои солеустоичивости растений.
2. Определены факторы, влияющие на отклонения реакции структур от
экологической нормы толерантности растения.
3. Конкретизация связи между отдельными морфологическими и
физиологическими показателями жизнеспособности у изолированных структур
и особенностями целого растения.
Теоретическая и практическая значимость работы. Показана значимость направления дифференциации и уровня организации моделей для специфики их реакции на засоление. Материалы работы углубляют представления о показателях солеустоичивости растений и ее системном характере, а также о пределах реализации морфогенеза изолированных структур в стрессовых условиях. Экспериментальные подходы и выводы диссертации нашли использование в учебном процессе при чтении спецкурсов,
подготовке курсовых и дипломных работ по экологии и физиологии растений на биологическом факультете Дагестанского университета.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научных конференциях ДГУ (1999 - 2005 гг.), III Международной конференции «Рост и регуляция развития растений» (Минск, 2003), 6-ой и 7-ой конференциях молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2002, 2003), V съезде общества физиологов растений (Пенза, 2003), VII Международной конференции по морфологии растений (Москва, 2004), XVII научно - практической конференции по охране природы Дагестана (Махачкала, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ и 1 находится в печати.
Реакция растений на засоление среды
В последние десятилетия наблюдается активное распространение засоления почв и их загрязнение множеством химических веществ (Строгонов и др., 1989; Федоров и др., 1999).
Общим для действия засоления на растения является ухудшение их жизнедеятельности, продуктивности, роста по мере нарастания его напряженности (Костюк и др., 1994). В малых концентрациях засоление стимулирует функции организма, а в больших действует токсически (Строгонов, 1962). При солевом стрессе (даже меньше 0,1 М NaCl, Na2S04) нарушается метаболизм растений, повышается активность перекисного окисления липидов (ПОЛ) и расщепление АТФ, что сопровождается деградацией клеточной системы и рибосом (Касумова и др., 1990). Солевой стресс оказывает влияние на рост (Удовенко, 1977; Прусакова и др., 1993; Fernandes et al., 1999), водный дефицит (Прусакова и др., 1993; Сулейманов, 1951), продолжительность жизни, содержание пигментов пластид (Клышев, 1986; Абдурахманов и др., 1996; Belgacem et al., 1986), интенсивность фотосинтеза (Мухамедов и др., 1986; Королева и др., 1990; Fedina et al., 1994), разобщение процессов окисления и фотофосфорилирования (Касумова и др., 1992). Угнетение роста и повышение водного дефицита у пшеницы, ведущие к снижению интенсивности фотосинтеза и отрицательно сказывающиеся на ее продуктивности, обусловлены избыточным содержанием ионов (Прусакова и др., 1993).
Действие солей на растения осуществляется осмотически и токсически. Соли находящиеся в субстрате, оказывают осмотическое действие, при котором нарушается водообмен в тканях, а токсическое действие проявляется лишь с момента проникновения их в клетку при этом задерживается фотосинтез и синтез белков (Строгонов, 1962; Long, 1973).
В условиях сильного засоления нередко наблюдается солевое отравление растений. Солевые повреждения вызываются только ионами не попадающимися в вакуоль (Cheeseman, 1988). Первые признаки солевого отравления у одних растений внешне проявляются в выцветании хлорофилла, а у других - в побурении отдельных участков листа (некробиоз). Некробиоз связан с нарушением обмена веществ и приводит к накоплению токсичных промежуточных продуктов обмена в тканях растений, таких как путресцин и кадаверин (Строгонов и др., 1972). О разнонаправленности действия солевого стресса указывают многие авторы (Строгонов, 1973; Костюк и др., 1994; Greenway et al., 1980).
На разных сортах томатов, подвергшихся постепенному засолению (повышению концентрации NaCl), отмечено снижение роста растений, интенсивности фотосинтеза, повышение концентрации Na+ и пролина (Moghaieb Abedelhaleem et al., 2001; Kaya Cengiz et al., 2002).
Действие засоления на растения проявляется и в изменении соотношения биомассы побегов и корней. Отмечается, что перераспределение биомассы в пользу корней является важной компенсаторной реакцией, которая определяет выживание растений в неблагоприятных условиях и регулируется гормонально (Кудоярова и др., 1999). При засолении в большинстве случаев рост побегов ингибируется сильнее, чем рост корней (Костюк и др., 1994). Это показано на примере русских бобов (Удовенко, 1977), табака (Tyerman et al., 1989), гороха (Kapchina Veneta et al., 1991). В условиях засоления у кукурузы повышается отношение массы корней к массе побегов (Izzo et al., 1996). Встречаются данные и о большем угнетении корней в условиях засоления у подсолнечника (Delgado et al., 1996), авокадо (Bernstein Nirit et al., 1996), нута (Richter et al., 1999).
При оценке засухо - и солеустойчивости часто обращаются к изучению роли пролина (Шевякова, 1983; Строгонов и др., 1989; Юркевич и др., 1994; Франко и др., 2000; Dachek et al., 1981). Следует отметить противоречивость сведений по вопросу аккумуляции пролина при засолении среды. Одни считают, что аккумуляция пролина характерна для толерантных сортов (Quadar et al., 1982), другие - для чувствительных к стрессу форм (Бородина, 1991; Климашевский, 1983; Muriel et al., 1984; Rus - Alvares et al., 1994; Bolarin et al., 1995; Renard et al., 1997). Полагают, что пролин накапливается вследствии стресса и не является маркером устойчивости (Франко и др., 2000).
В условиях засоления мобилизация и транспортировка первичных продуктов фотосинтеза несколько тормозится (Удовенко, 1975). Засоление оказывает существенное влияние на фотосинтетическую активность хлоропластов (Мухамедов и др., 1986; Белецкий, 1993), оно, угнетает синтез хлорофиллов, процесс циклического фотофосфорилирования и способствует деградации рибосом хлоропластов (Клышев, 1986; Строгонов и др., 1989). При этом может возрастать активность хлорофиллазы (Reddy et al., 1986).
Тяжелые металлы (ТМ), как медь, серебро, цинк и другие - незаменимые компоненты для нормальной жизнедеятельности организма. Они являются составной частью энзиматических систем, участвуют в переносе кислорода, энергии и т. д. Однако их соли даже в очень низких концентрациях оказывают токсическое действие на растения.
К настоящему времени сложились представления о двухфазной реакции многих организмов на ТМ. При низких концентрациях их соли стимулируют рост, а с увеличением концентрации - наступает постепенное прекращение роста и гибель организма (Бельков, 1982; Babich, Stotzky, 1982; Tsapakos, Hampton, 1983; Ortuno et al., 1984). «Переходная зона» между стимулированием и ингибированием металлов лежит в очень узких пределах. Фитотоксичность солей ТМ зависит от их химических свойств: валентности, ионного радиуса, способности к комплексообразованию (Barcelo et al., 1990). По негативному действию на высшие растения ТМ располагаются: Hg Cd Cu Pb Cr Ni Zn (Спозито, 1993).
ТМ обладают чрезвычайной реакционной способностью (Чернавская, 1989; Кабанта- Пендиас, Пендиас, 1989). Они обладают высоким сродством к серосодержащим лигандам и образуют с ними прочные соединения. Поэтому, попадая в клетку, они взаимодействуют с SH-группами, инактивируя ферменты и белки, вызывая этим разнообразные нарушения метаболизма клеток, с чем связана их высокая токсичность (Алексеева - Попова, 1991; Бингам, 1993; Иванов и др., 2003; Clarkson et al., 1985; Arizono et al, 1985).
Общим проявлением токсического действия ТМ считается торможение роста, нарушение водного обмена (уменьшение оводненности тканей) (Тарабрин, 1990), снижение транспирации. Имеются данные о сходном влиянии ТМ и засухи на морфологические признаки растений (Сливинская, 1990; Гуральчук, 1994). Снижение фотосинтеза и активности некоторых ферментов, увеличение проницаемости мембран, денатурация белка и т. д. наблюдаются при действии ионов ТМ (Школьник и др., 1983; Чернавская, 1989).
Токсичность ТМ на растения выражается в уменьшении следующих показателей: количество и размеры листьев, размеры устьиц, способность к осморегуляции, скорость растяжения клеток, формирование новых боковых корней и корневых волосков, скорость линейного роста корней, интенсивность передвижения ассимилятов из побега в корень, водопроницаемость, соотношение размеров корня и побегов. Возрастает плотность устьиц, свертывание листьев, скорость отмирания кончика листа, старение и опадение листьев, скорость отмирания кончика корня и т. д. (Barcelo et al., 1990).
Действие засоления на проростки и гипокотильные черенки
Частично этот вопрос затрагивался при характеристике действия засоления на проростки, а ниже конкретизирован при сочетании с раствором Кнопа и предобработкой индолилмасляной кислотой (ИМК). При этом выясняли возможности блокировки или усиления отрицательного эффекта засоления по вариантам: 1) 6 ч. (А) и 5 сут. (Б) экспозиция в растворах солей и последующее культивирование в воде; 2) сочетание этиоляции с 6 ч. предобработкой в растворах солей и последующим культивирование в воде (В и Г), 3) предобработка ИМК с последующим культивированием в растворах солей; 4) дополнение раствора Кнопа солями.
Наблюдения показывают, что наибольший прирост сырой биомассы у ИС огурцов в варианте 6 ч. предобработки (А) наблюдается в 0,01 mM CuS04 и 1 гаМ Na2S04, MgS04. В растворах высоких концентраций прирост биомассы несколько ниже (табл. 13). В вариантах 5 сут. солевого стресса (В) прирост сырой биомассы ИС был ниже контроля (исключение 0,01 mM CuS04 - 157 %). У ИЛ в варианте А отмечен наименьший прирост биомассы по сравнению с вариантом Б (табл. 14). Здесь как и у ИС, наибольший прирост отмечен в растворе 0,01 mM CuS04 (140 %).
В целом ИЛ уступают по приросту биомассы ИС. У ИЛ, как и у ИС, отмечены различия по вариантам культивирования и обработки. Более высокие концентрации отрицательны для прироста биомассы. Варианты отличаются и по характеру ризогенеза. Наибольшая укореняемость на 10 сут. отмечена у ИС при культивировании в варианте 6 ч. предобработке в растворах солей. Так, в растворе 0,01 и 0,1 mM CuS04 она составила 100 и 80 %, в варианте 5 сут. солевого стресса - 95 и 55 % соответственно. Растворы высоких концентраций солей обычно тормозят образование корней. Так, в растворах 10 и 1 mM Na2S04 укореняемость составила 45 и 85 %, MgS04 - 95 и 100 % соответственно, в контроле 100 % (табл. 13).
Корневая система у ИЛ по мощности превосходила таковую ИС по всем вариантам (табл. 13, 14). У ИС в контроле отмечена хорошо развитая корневая система, число корешков на семядолю 2-3 шт., а длина 51 мм. В варианте А наибольшая длина корня у ИС отмечена в растворе 0,01 mM CuS04 (80 мм) и наименьшая 10 и 1 тМ MgS04 - 38 и 44 мм. В целом по мощности корневой системы превосходили ИС варианта Б (5 сут. экспозиция).
Разные концентрации солей заметно влияют на число и величину корней. Так, например, в растворах 10 и 1 mM MgS04 длина корня у ИЛ составила 99 и 118 мм (А), 11и 132 мм (Б). Число корней на лист не превышает 1-2 шт. по всем растворам солей. В обоих вариантах корни у ИЛ были разветвленными и хорошо развитыми.
Ризогенез гипокотильных черенков (ГЧ) в растворах 1 mM Na2S04, MgS04 и 0,01 тМ CuS04 (А) отмечен на 10 сут. культивирования в пределах 80 %, тогда как в высоких концентрациях (10 и 0,1 тМ) корнеобразование отодвигается в сроках (табл. 15). В целом укореняемость ГЧ выше в варианте А по всем растворам. Мощность корневых систем для ГЧ по вариантам не отличается разнообразием. Длина корня в контроле у ГЧ достигала 18 мм, число корешков составило 6 шт. В варианте А корни развиваются в пределах 7— 15 мм по всем растворам, при количестве от 3 - 9 шт., в вариантах Б в пределах - 7-20 мм при количестве корней от 2-8 шт.
Состояние оводненности изолированных структур при засолении
Вода составляет наибольшую часть растений и поэтому на изучение ее состояния обращается большое внимание при различных воздействиях (Жолкевич, 1968; Гусев, 1974; Жолкевич, и др., 1989; Turner, Kramer et al., 1980; Hanson, Hitz, 1982; Kramer, 1983). Нами оценивалось содержание общей, свободной и связанной форм воды. Эти показатели использовались в целях сравнительной оценки качественного состояния оводненности клеток из-за различной физиологической роли форм воды в условиях стресса.
Интактные и изолированные семядоли у огурцов не отличались по содержанию общей воды по срокам учета, тогда как различия обнаруживаются по ее структуре. По всем срокам учета в интактных доля связанной воды выше по сравнению с изолированными (табл. 21). Это же подтверждается и на примере ИС томатов. Особенно низка доля связанной воды в ИС на 10 сут. культивирования, что возможно, обусловлено нарастанием у них старческих симптомов.
Разные варианты засоления и сроков культивирования ИС огурцов не отличаются по общей оводненности, которая варьирует в пределах 91-94 % (табл. 22). В них обнаружены различия по содержанию доли свободной и связанной форм воды. Варианты по меди и цинку в целом больше содержат связанную, тогда как натрия и магния - свободную форму. Варианты с высокой концентрацией солей натрия и магния отличаются тенденцией меньшего содержания свободной, но несколько большего - связанной воды. По растворам меди и цинка такая тенденция не всегда проявляется. Для всех солей характерно снижение содержания связанной и повышение свободной воды в ИС огурцов к 10 - дню культивирования (табл. 22).
По ИС томатов 2-х сортов отмечена такая же специфика действия солей (табл. 22), как и у огурцов. По томатам сравниваются особенности семядолей 5 и 10 - дневных проростков, для которых характерно преобладание связанной воды над свободной. Изолированные семядоли томатов имеют меньшие размеры, отличаются меньшей оводненностью (65 - 90 %) и большей сухой массой.
Для познания специфики действия засоления значимы сравнительные данные опытов засоления на фоне раствора Кнопа при сопоставлении с контролем (вода). При культивировании ИС огурцов в чистых растворах солей и с добавлением их к смеси Кнопа практически мало меняется общая оводненность ИС огурцов (табл. 23). Однако значимы различия в других формах воды. Связанной воды на фоне Кнопа на 5 сут. культивирования при засолении выше и меньше свободной воды по сравнению с чистыми растворами тех же солей. Эта же тенденция несколько сглаживается на 10 сут. культивирования ИС, хотя сравнение 10 - дня культивирования с 5 - дневным (что принято за 100 %) обнаруживает тенденцию некоторого снижения связанной воды и возрастание свободной. При этом близка общая оводненность ИС по этим срокам (рис. 19).
