Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
Глава 1. Современные представления о роли почвенных взаимоотношений в
стрессовой реакции растений 7
1.1. Понятие ризосферы — области взаимодействия микроорганизмов и
высшего растения. 7
1.2. Постстрессовая реакция растений, роль почвенных микроорганизмов в
этой реакции , 27
1.2.1 Действие стресса на семена 27
-
Пути снижения негативного эффекта вызванного термогидровоздействием ...37
-
Роль фитогормонов в регуляции ответа клетки на внешние факторы и пути снижения негативного действия стресса за счет обработки растений фитогормонами . ...39
Глава 2. Схема постановки опытов и методы исследования 46
Глава З.Физиолого-биохимические показатели растений пшеницы,
выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействню .. 52
3.1. Ростовые и продукционные процессы пшеницы, выращенной из семян,
подвергнутых в предпосевный период термогидровоздействию 52
3.2. Физиолого-биохимические изменения в проростках пшеницы,
выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию 58
-
Активность цистеиновых протеиназ в проростках злаков, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию 58
-
Активность амилаз в проростках злаков, выращенных из семян,
. подвергнутых термогидровоздействию 63
-
Фитогормональный баланс проростков злаков, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию 67
-
Активность РНК-полимеразы I и протеинкиназы в проростках злаков, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию. 71
Глава 4. Скрининг штаммов микроорганизмов, оказывающих положительное
действие на процессы прорастания растений.... 74
4.1. Поиск штаммов бактерий, оказывающих положительное действие на
прорастание пшеницы различных сортов 74
4.2. Физиолого-биохимические особенности штаммов, выбранных в
качестве инокулянтов 85
Глава 5. Действие предпосевной инокуляции на ростовые процессы растений пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию... 94 5Л. Влияние термогидровоздействия и предпосевной инокуляции на
энергию прорастания семян пшеницы , 94
.5.2. Влияние термогидровоздействия и предпосевной инокуляции на
всхожесть семян пшеницы ,.,., 96
5.3, Линейные размеры проростков пшеницы, выращенных из семян,
подвергнутых, термогидровоздействию и предпосевной инокуляции ...97
5.4. Сухой вес проростков пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых
термогидровоздействию и предпосевной инокуляции 99
Глава 6. Физиолого-биохимические изменения в проростках пшеницы,
выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию и инокуляции
микроорганизмами 102
-
Активность амилаз в проростках пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию и предпосевной инокуляции 102
-
Активность цистеиновых протеиназ, а также белковых ингибиторов протеиназ в проростках пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию и предпосевной инокуляции 104
-
Активность эндогенных цитокининов и гиббереллинов в проростках пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию и предпосевной инокуляции 108
-
Активность РНК-полимеразы I и связанной с ней протеинкиназы в проростках пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздействию и предпосевной инокуляции 115
Глава 7. продукционные процессы в растениях пшеницы, выращенных из
семян, подвергнутых ТГВ и инокуляции... 118
Глава 8. взаимоотношения в системе «ВысшЕе растениЕ — микроорганизмы
почвы» 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ....,136
ВЫВОДЫ: 138
Список литературы: 140
Введение к работе
Актуальность темы. Экология прорастающего семени, влияние комплекса внешних факторов среды на метаболизм проростка - одно из самых актуальных направлений современной биологии. Особый интерес вызывает изучение стрессовых абиотических факторов среды, например, повышенной температуры и влажности воздуха. В природных условиях и в практике сельского хозяйства повышение температуры посевного материала происходит при "самосогревании" скученно расположенных семян или разогрева растительных остатков при действии микроорганизмов, при этом в системе наблюдается высокая влажность воздуха. У различных растений, произрастающих из таких семян, происходят нарушения метаболизма и темпов прорастания. В связи с этим значительный интерес представляет выяснение механизма устойчивости семян к действию повышенной температуры и влажности воздуха.
В процессах "самосогревания" семян значительную роль играют микроорганизмы. Между растением и микроорганизмами существуют сложные системы взаимоотношений. Микроорганизмы, выделяя биологически-активные вещества, могут оказывать негативное действие на растение, но могут и оптимизировать его обменные процессы. Исследования таких взаимоотношений весьма актуальны как в теоретическом плане, так и с практической точки зрения.
Связь темы с плановыми исследованиями. Данная работа входит в план научных исследований кафедры ботаники Самарского государственного педагогического университета по теме "Адаптация культурных растений".
Цель работы: Изучение экологии прорастания зерновок пшеницы, подвергнутых повышенной температуре и влажности воздуха и роли почвенных микроорганизмов в этом процессе.
Задачи исследования: 1. Изучить влияние температуры и влажности воздуха (термогидровоздействия) на семена пшеницы, по изменению процессов их прорастания и дальнейшего развития (энергию прорастания, всхожесть, длину и массу проростков, структуру урожая).
2. Определить изменение активности ферментных систем клетки, участвующих в прорастании - амилаз, протеиназ, РНК-полимеразы І у проростков, выращенных из семян, подвергнутых термогидровоздеиствию (ТГВ).
3. Провести скрининг эффективных штаммов ризобактерий, оказывающих стимулирующее воздействие на посевные качества и ростовые процессы у проростков пшеницы.
Выяснить действие инокуляции активными штаммами на рост и развитие растений пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых ТГВ.
Изучить особенности активности ряда ферментов в проростках пшеницы, выращенных из семян, подвергнутых в предпосевный период ТГВ и инокуляции ризобактериями, а также механизмов регуляции ферментных систем.
Научная новизна работы. Впервые изучено изменение ростовых и продукционных процессов растений пшеницы под действием почвенных микроорганизмов рода Azotobacter и Bacillus. Впервые исследована роль этих бактерий при прорастании семян после ТГВ, изучена активность а- и р-амилаз, цистеиновых протеиназ и РНК-полимеразы І в проростках, метаболизм которых изменен вследствие ТГВ. Впервые показано снижение повреждающего влияния ТГВ при инокуляции семян микроорганизмами. Впервые показана возможность пролонгированного действия инокуляции микроорганизмами, в частности, стимуляции продукционных процессов растений пшеницы и повышение урожайности.
Теоретическое значение работы. Материалы диссертации могут быть использованы при создании теории адаптации растения к стрессовым факторам среды, для развития теории химического взаимодействия в системе "ризосферное сообщество - высшее растение", при разработке общей теории фитогормональной регуляции.
Практическая значимость работы. Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения и выводы могут найти применение при разработке основных критериев скрининга 1) эффективных штаммов микроорганизмов, снижающих повреждающее влияние ТГВ, 2) комплексов микроорганизмов и биологически активных веществ, повышающих эффект от обработки семян. Предложенные методы могут применяться для оптимизации посевных качеств зерна пшеницы, сниженных в результате ТГВ. Они могут быть использованы и уже используются при чтении лекционных курсов "Физиология растений", "Экология растений" в биологических, экологических и сельскохозяйственных вузах.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации были представлены на научно-практической конференции <сИкгродукция, акклиматизация, охрана и использование растений в степной зоне» (Самара, 1992), Международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз» (Москва 1992), научно-методических конференциях «Влияние физических и химических факторов на рост и развитие с/х растений» (Орехово-Зуево, 1993, 1996), Щ съезде общества физиологии растений (Санкт-Петербург, 1993), VI координационном семинаре-совещании «Совершенствование научно-теоретического и методического уровня преподавания физиологии растений» (Смоленск, 1993), межвузовской научно-практической конференции «Региональные экологические проблемы и возможные пути ее реализации» (Самара, 1994), научной конференции «Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного Прикаспия» (Астрахань, 1996), VII координационном совещании «Проблемы и достижения современной физиологии растений и их использование в вузовском и школьном преподавании» (Пермь, 1997), IV симпозиуме «Химия протеолитических ферментов» (Москва, 1997), VI международной конференции «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва 2001), V международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использова-
5 ния» (Ростов-на-Дону, 2004), заседании Самарского отделения Русского Ботанического общества.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах.
Декларация личного участия автора. Автором лично осуществлен скрининг эффективных штаммов микроорганизмов (сбор почвенных образцов, выделение чистых культур и создание коллекции бактерий), подготовка и проведение лабораторных экспериментов по изучению ростовых процессов пшеницы, активности эндогенных амилаз, протеиназ, их белковых ингибиторов, РНК-полимеразы I и связанной с ней протеинкиназы. Автором лично проведена статистическая обработка материалов, их интерпретация, написание текста диссертации. В опубликованных в соавторстве работах доля автора составляет 70%.
Основные положения, выносимые на защиту:
Повышенная температура и влажность (40С и 98% влажность воздуха), воздействуя на зерновки, вызывают изменения процессов их прорастания: снижение энергии прорастания и всхожести, то есть жизнеспособности семян; уменьшение продукционных процессов; ТГВ сказывается и на поздних этапах развития, снижая метрические параметры растений и урожай зерна.
Причиной негативного влияния ТГВ может служить изменение действия регуляторных систем клетки. Это приводит к падению активности ключевых ферментных комплексов, таких как амилаза, цистеиновая протеиназа, РНК-полимераза I. Как следствие, уменьшается количество доступных метаболитов. - Проведенный скрининг почвенных микроорганизмов из 11 штаммов, (полученных из части коллекции Института микробиологии РАН), при воздействии на 6 сортов пшеницы позволил отобрать сорт Безенчукская 182 и штаммы, оказывающие стимулирующее воздействие на растения - Azoto- bacter chroococcum шт. 265 и Bacillus polymyxa шт 12. Метаболизм этих бактерий характеризуется способностью к выделению в культуральную жидкость биологически активных веществ и ферментов. Наряду с микроорганизмами использовались биологически активные вещества, в частности, ПАБК для повышения их стимулирующей активности.
Инокуляция опытных растений в комплексной среде, содержащей микроорганизмы и ПАБК, привела к снижению негативного действия повышенной температуры и влажности воздуха, а в ряде случаев - к полному восстановлению параметров роста.
Восстановление роста и развития опытных растений под действием инокуляции определяется оптимизацией деятельности регуляторных механизмов клетки, что приводит к активизации ряда ключевых ферментных систем - амилаз, цистеиновых протеиназ и их ингибиторов, РНК-полимеразы I. - Предлагается механизм действия микроорганизмов и физиолого- биохимических отклонений в растительном организме в результате ТГВ, а также оптимизирующего действия ряда почвенных прокариот на метаболизм опытных растений.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, выводов, списка использованной литературы (348 источников, в том числе, Л 01 иностранных). Работа изложена на 176 страницах, содержит 29 рисунков, 20 таблиц, 3 схемы.
