Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
1.1. Кальций как элемент минерального питания растений 11
1.2. Функции ионов кальция в растительной клетке 13
1.3. Экологические группы растений по отношению к кальцию 21
1.4. Механизмы поглощения кальция у растений 25
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 28
2.1. Травянистые растения, послужившие объектами для исследований в ходе выполнения работы 28
2.2. Оборудование и аналитические методы 29
2.3. Фитокамера и постановка концентрационных опытов 31
2.4. Растворы 33
2.5. Статистическая обработка результатов 35
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 36
3.1. Анализ содержания ионизированного кальция в сухой биомассе дикорастущих травянистых растений 36
3.2. Накопление ионов кальция травянистыми растениями в условиях одного биотопа 50
3.3. Изучение механизмов поглощения ионов кальция из питательных растворов травянистыми растениями разных видов 60
3.4. Рост и поглощение ионов калия и нитрата растениями крапивы и пустырника в зависимости от концентрации ионов кальция в питательном растворе 69
3.5. Кальций-нитратные соотношения в тканях дикорастущих травянистых растений. эколого-физиологический аспект 76
ВЫВОДЫ 86
- Кальций как элемент минерального питания растений
- Травянистые растения, послужившие объектами для исследований в ходе выполнения работы
- Анализ содержания ионизированного кальция в сухой биомассе дикорастущих травянистых растений
Введение к работе
Актуальность проблемы
Поглощение минеральных веществ из почвы занимает одно из центральных мест в системе взаимоотношений «растительный организм-среда обитания». Известно, что нормальный рост и развитие конкретного растения обеспечивается не только достаточным количеством микро- и макроэлементов минерального питания, но и их надлежащим соотношением (Лархер, 1978). На специфичности таких соотношений построена концепция «биомоля» как одной из возможных индивидуальных характеристик надвидовых таксонов (Новак, Осмоловская, 1996). Однако в изучении видовых особенностей минерального питания существует явный дисбаланс: потребности культурных растений изучены достаточно хорошо, дикорастущих — очень незначительно. Между тем, как указывает В. Лархер (1978), «...именно такого рода сведения (т. е. касающиеся дикорастущих видов — прим. автора) помогли бы лучше понять причины, определяющие характерный видовой состав того или иного сообщества».
Кальций безусловно относится к числу наиболее «противоречивых» (Бушуева, 1964) элементов минерального питания растений. В ионизированной форме он проявляет высокую биологическую активность, обладая способностью в ничтожных концентрациях (порядка 10" -10' М) оказывать воздействие на многие процессы, протекающие на мембранном, субклеточном, клеточном уровнях. Существующие на сегодняшний момент данные позволяют говорить об ионах кальция как об «универсальном триггере клеточных реакций» (Иванова и др, 1997). С другой стороны, как макроэлемент кальций характеризуется инертностью, малоподвижностью, низкой способностью к реутилизации (Morgan, 1998).
6Несмотря на обилие информации, связанной с локализацией кальция на клеточном и субклеточном уровнях, его накопление, распределение и обмен на уровне целого растения до сих пор остаются недостаточно изученными. Известно, что содержание этого элемента в биомассе у разных видов растений варьирует в пределах 50 - 3000 мэкв/кг сухого вещества, в среднем составляя 350 мэкв/кг сухой массы (Ильин, 1985). Отмечается также тенденция к накоплению кальция в нижних, более старых, частях растения, что как раз и объясняется слабой подвижностью и слабой реутилизацией (Бушуева, 1964). При этом почти всегда речь идет об общем содержании кальция, без анализа соотношений растворимой и нерастворимой фракций.
Немногочисленные данные, содержащие такой анализ, приведены в отношении культурных растений (Абуталыбов, 1956), никак не отражая специфические потребности дикорастущих видов. В экологии растений принято традиционным деление растений по отношению к кальцию на кальциефилов и кальциефобов (Лархер, 1978). Иногда в эту классификацию добавляют среднюю группу нейтральных по отношению к кальцию растений (Полевой, 1989, Каримова и др., 1990). К явным кальциефобам обычно относят виды, встречающиеся только на кислых, бедных известью почвах (например, торфяные мхи), кальциефилы, напротив, произрастают на богатых известью почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией. Как пишет В. Лархер (1978): «Попытка вскрыть причины этой поразительной зависимости распространения растений от особенностей местообитания — один из старейших примеров казуально — экологической постановки вопроса... Проблема чрезвычайно сложна, ее и сейчас еще нельзя считать решенной.» Однако, кроме специфики местообитаний у растений разных по отношению к кальцию групп,по мнению В.Лархера существует еще один критерий
7 дифференцирования этих групп — способность или неспособность к накоплению в тканях высоких количеств ионизированного кальция.
Следует отметить, что наряду с отсутствием более или менее полной систематической картины, позволяющей отнести конкретные таксоны дикорастущих растений к тем или иным экологическим (по отношению к кальцию) группам, остается практически неизученным вопрос о специфике функций, выполняемых кальцием в процессах жизнедеятельности растений — представителей этих групп (прежде всего, это относится к растениям — кальциефилам). В этой связи представляется интересным и перспективным сочетание полевых исследований по изучению особенностей накопления и распределения кальция у растений разных экологических групп и лабораторных экспериментов, направленных на выяснение физиологических аспектов, связанных с этими особенностями.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы было изучение эколого-физиологических особенностей кальциевого питания у разных видов дикорастущих травянистых растений.
В задачи исследования входило:
Проведение массового скрининга содержания ионов кальция в сухой биомассе дикорастущих травянистых растений с целью выявления разных по отношению к кальцию групп.
Проведение анализа накопления и распределения ионов кальция травянистыми растениями в условиях одного биотопа.
Выявление возможных различий в механизмах поглощения ионов кальция из среды обитания растениями — представителями разных групп.
Изучение влияния концентрации ионов кальция в питательном ратворе на прирост биомассы и ионный транспорт у кальциефильных и кальцийнейтральных растений.
Изучение взаимосвязи процессов кальциевого и азотного питания у кальциефильных и кальцийнейтральных растений.
Научная новизна
Впервые показаны высокие потребности в кальции и способность к его накоплению в больших количествах в ионной форме у видов, ранее не упоминавшихся в литературе в качестве растений — кальциефилов. Это прежде всего относится к виду Urtica dioica L. и к некоторым видам Plantagiacea и Rosaceae.
Обнаружены порядковые различия в содержании ионизированного кальция у дикорастущих растений, обитающих в одинаковых почвенных условиях.
Показаны существенные различия в распределении ионов кальция по органам у растений разных групп.
Установлено наличие разных (по крайней мере двух) типов поглощения ионов кальция дикорастущими травянистыми растениями.
Впервые выявлено выраженное влияние уровня кальциевого питания на транспорт и редукцию нитратов у растений Urtica dioica L.
Экспериментально установлены ранее не известные различия в транспорте нитрата у дикорастущих растений, предполагающие, что у растений-кальциефилов он энергетически сопряжен с транспортом кальция, а у нейтральных по отношению к кальцию видов — с транспортом калия.
9 Практическая ценность
Результаты работы могут быть использованы для оптимизации минерального питания травянистых растений разных видов как в условиях водной культуры, так и при внесении удобрений в полевых условиях. Установленная нами отрицательная корреляция между содержанием кальция и нитрата у некоторых дикорастущих видов может быть использована в санитарно — экологических целях.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на XXXIV Международной научной конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 1996., на IV межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы», Томск, 2000, на городской конференции молодых ученых и специалистов "Региональные проблемы экологии и природопользования", Томск 2000, на I Кавказском симпозиуме по медико-биологическим наукам, Тбилиси 1999.
Публикации
Основные результаты работы изложены в 9 печатных работах, из них 3 находятся в печати.
Благодарности
Автор выражает благодарность (Новаку В.А.|и Якимову Ю.Е за постановку цели и задач работы и за неоценимую помощь в практических и теоретических аспектах работы на всем ее протяжении, научному руководителю Е.В. Евдокимову за большую помощь в постановке задач на завершающей стадии работы, в математической
10 обработке и интерпретации результатов экспериментов, а так же: зав. кафедрой физиологии человека и животных В.И. Гридневой за предоставление возможности работы по выбранной теме в рамках аспирантуры и за всестороннюю поддержку, директорам НИИ биологии и биофизики при Томском госуниверситете Плеханову Г.Ф., Стегнию В.Н., Кривовой Н.А. за всестороннюю поддержку лаборатории биофизики мембран, на базе которой была выполнена диссертационная работа,, Осмоловской Н.Г. за ценные критические замечания и участие в обсуждении результатов, Некратову Н.Ф., Некратовой Н.А., Лапшиной Е.Д., Покопьеву Е.П., Александру и Татьяне Эбель за предоставление части материала для исследований и за помощь в определении ряда дикорастущих растений, Цицоревой Л.К. за предоставление реактивов для некоторых аналитических методик, Евдокимову А.В. за написание компьютерной программы, позволившей облегчить обработку и графическое представление результатов экспериментов, Воробьеву С.Н. за техническую помощь при распечатке текста диссертации. Выражаю искреннюю признательность всем сотрудникам кафедры физиологии человека и животных Томского госуниверситета и многим сотрудникам НИИ биологии и биофизики при Томском госуниверситете за постоянную моральную поддержку, ценные советы и рекомендации.
Кальций как элемент минерального питания растений
Кальций, как элемент минерального питания растений, поступает и накапливается в растительных тканях и органах в достаточно больших количествах, что служит основанием причислить его к макроэлементам. Обширный диапазон функций, приходящийся в растительном организме на кальций, побудило отнести его по определению Ильина В.Б. к «носителям фундаментальных функций» (Ильин, 1985).
Содержание кальция в растениях колеблется в пределах от 5 до 30 мг/ г сухого веса (Полевой, 1989). А в составах питательных смесей для водных и песчаных культур концентрация его колеблется от 4 до 16 мэкв/л (Гродзинский A.M., Гродзинский Д.М., 1973). Кальций необходим для нормального роста надземных органов и корней растений. Потребность в нем проявляется еще в фазе прорастания. При недостатке кальция и резком преобладании в питательном растворе одновалентных катионов (протонов, натрия и калия) или катионов магния нарушается физиологическая уравновешенность раствора и от этого прежде всего страдает корневая система растений. Рост и развитие корней приостанавливается, они становятся утолщенными, не образуют боковых корешков и корневых волосков, ослизняются и темнеют. В результате нарушается поглощение растениями питательных веществ. Кальций необходим и для нормального развития надземных органов растения, при недостатке этого элемента развитие их также ухудшается (Агрохимия, 1982 ) и наблюдается целый ряд фитопатологии (Morgan, 1998).
Кальций, как элемент минерального питания, обладает рядом особенностей, которые позволяют окрестить его, по меткому выражению Броера и Стоута, «наиболее странным из макроэлементов (Broyer T.C. and. Stout P.R., 1959). Действительно, для нормального питания растений в почве необходимы значительные количества кальция в почвенном поглощающем комплексе (Ратнер, 1950). И в то же время кальций является ионом, медленно поглощающимся корнями. Растения нуждаются в непрерывном снабжении кальцием в течение всей своей жизни. Но основная масса кальция сосредоточена в старых листьях, а в молодых листьях с активной жизнедеятельностью содержание его очень невелико. Еще одной странной особенностью кальция является и то, что для высших растении и животных он необходим в значительных количествах, а для многих микроорганизмов, одноклеточных водорослей и грибов достаточны исчезающе малые его количества (Бушуева, 1964).
Химические свойства кальция. Кальций — двадцатый элемент периодической системы, относится к щелочноземельным металлам, обладает стабильной валентностью. Поэтому кальций не может служить переносчиком электронов в клетке, подобно железу, меди и молибдену, легко меняющим свою валентность. Соли кальция значительно менее растворимы, чем соли других катионов — макроэлементов. Поэтому в клеточном соке можно наблюдать выпадение кристаллов сульфата кальция и оксалата кальция. Слабо растворимы фосфат кальция и кальциевые соли лимонной и яблочной кислот, кальциевые соли ряда жирных кислот, а также пектат кальция.
Травянистые растения, послужившие объектами для исследований в ходе выполнения работы
Объектом на первом этапе полевых исследований послужил гербарный материал травянистых дикорастущих растений собранных в Томске, Томской, Кемеровской, Иркутской областях, Хакасии любезно предоставленный сотрудниками кафедры ботаники ТГУ: Эбелем А.Л., Эбель Т.В, проф. Положий А.В., проф. Прокопьевым Е.П., сотрудниками лаборатории геоботаники НИИ ББ — Некратовым Н.Ф. и проф. Некратовой Н.А. На содержание ионизированного кальция было исследовано 88 растений 64 видов, относящихся к 26 семействам. Всего было исследовано более 1700 проб растительной ткани. Список исследованных видов дикорастущих травянистых растений представлен в при ложении.
При проведении анализа содержания ионов кальция у растений, призрастающих в условиях одного биотопа у исследовались следующие виды: Urtica dioica L. (крапива двудомная), Lamium album L. (яснотка), Aegopodium podagraria L. (сныть обыкновенная), Crepis sibirica L. (скерда сибирская), Leonurus cardiaca L. (пустырник сердечный), Sonchus arvensis L. (осот полевой), Conium maculatum L. (болиголов пятнистый), Matricaria recutita L. (ромашка ободранная). Растения были собраны в течении 1994 — 1997 гг. в период май — июль, т. е. в период активного набора биомассы и роста вегетативной части растений. На данном этапе экспериментов было исследовано на содержание ионов кальция более 500 проб сырой растительной биомассы.
На этапе лабораторных экспериментов исследования проводили на растениях: Urtica dioica L. (крапива двудомная), Leonurus cardiaca L. (пустырник сердечный), Lycopersicum Esculentum (томат), Mentha Piperita (Мята перечная).
Анализ содержания ионизированного кальция в сухой биомассе дикорастущих травянистых растений
Проанализировав распределение величин содержания ионов кальция в разных органах у исследованных растений мы обнаружили, что характер этого распределения имеет достаточно определенные закономерности. На рис. 1 представлена гистограмма распределения величин содержания ионов кальция в тканях листовых пластинок у исследованных нами видов. Область распределения характеризуется широким диапазоном (от десятков до тысяч мэкв/кг сухого веса) и наличием периодически повторяющихся достаточно выраженных пиков.
Учитывая характер соотношения этих пиков между собой, можно выделить три главных максимума распределения: 20 — 100 , 500 — 600 и 2100 — 2200 мэкв/кг сухого веса. Результаты измерений содержания Са2+ в листьях дикорастущих травянистых растений, полученные нами, в целом соответствуют имеющимся (и упоминавшимся выше) литературным данным. Так,в группу растений с низким содержанием ионизированного кальция попали практически все представители Caryophyllaceae, большинство Liliaceae и Polygonaceae (результаты всех измерений содержания Са + в органах исследованных растений представлены в табл.1. приложения), в группу растений с высоким содержанием Са — все представители семейства Brassicaceae. У последних вместе с Urtica dioica, Qypsophila patrinii и Geum величины содержания ионизированного кальция зачастую превосходили величины содержания общего кальция у многих культурных растений, относимых к кальциефилам (см. Справочник агрохимика, 1980). Интересно, что бобовые (в нашем случае) в подавляющем своем большинстве по содержанию ионов кальция попали в среднюю группу.
В целом, соотношение пиков распределения на рис. 1 можно трактовать с позиции представлений о двух главных факторах, влияющих на накопление того или иного элемента в растительной биомассе — генетического и экологического (Ильин, 1985). Первый, как указывалось выше, предполагает генетический контроль за постоянством элементного химического состава растений конкретной таксономической группы, второй — изменения в ЭХСР под действием в геохимической среде. В нашем случае это можно проиллюстрировать следующим образом: все растения чины луговой по содержанию Са2+ в листе попадают в среднюю область распределения — 400 — 1200 мэкв/кг сухого веса. Однако одно из этих растений находится в области с максимумом 500, два — в области с максимумом 1000 и одно — в области с максимумом 1200 мэкв/кг. Аналогичную картину можно пронаблюдать для большинства исследованных нами растений. Вполне вероятно, что в случае произрастания этих растений в более однородных геохимических условиях распределение листового распределения Са 2+ выглядело бы более дифференцировано, количество максимумов и расстояние между ними уменьшилось бы. Именно это характерно для гистограммы распределения содержания Са2+ в цветках (рис.2), которая характеризуется гораздо более узким диапазоном варьирования и наличием всего двух главных пиков — 50 и 400 мэкв/кг.
