Содержание к диссертации
ВЕДЕНИЕ 5
I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1. Приемы диагностики состояния экологических 11
систем
Индикация состояния почвы 12
Анализ загрязнения гидросферы 16
1.2. Закономерности реагирования организмов на
тестовые нагрузки 19
1.3. Семена высших растений как тест-объект для
биоиндикации и биотестирования 23
Ухудшение жизнеспособности семян при хранении 26
Факторы, определяющие сроки хранения семян...28
Неблагоприятные условия созревания 28
Генетические факторы 28
Условия хранения 29
1.3.3. Физиолого-биохимические изменения у
стареющих семян 31
1.3.4. Свободные радикалы и перекисное окисление
липидов как главная причина старения семян....34
1.4. Способы определения качества семян 38
Влажность семян 38
Всхожесть семян 39
Жизнеспособность семян 40
1.5. Люминесцентные свойства биополимеров и семян ...44
1.6. Резюме 48
И. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 51
Объекты 51
Методы исследования 52
Всхожесть семян 52
Ускоренное старение 53
Тепловая обработка 54
Влажность семян 54
Выход электролитов 54
Измерение поглощения кислорода 54
Регистрация послесвечения воздушно-сухих и набухающих семян 55
Регистрация спектров послесвечения при комнатной температуре 56
ЯМР-определение содержания свободной воды
в семенах 57
11.2.10. Статистическая обработка результатов 58
III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 59
111.1. Послесвечение воздушно-сухих семян 59
Кинетика затухания послесвечения 60
Зависимость послесвечения от интенсивности возбуждающего света 53
Зависимость послесвечения от температуры . .64
Спектральные характеристики послесвечения сухих семян и биополимеров 5
Влияние растворителей на послесвечение биопрепаратов 70
Зависимость послесвечения семян и порошков веществ от их влажности 71
Механизм послесвечения семян (рабочая гипотеза) 74
111.2. Зависимость ФКТ семян от их качества 75
II 1.2.1. Взаимосвязь между уровнем ФКТ воздушно-
сухих семян и их всхожестью 75
111.2.2. Оценка влажности воздушно-сухих семян
методом ФКТ 7 9
111.2.3. О причине возрастания ФКТ семян при ста
рении Q "L
111.3. Анализ гетерогенности партии семян методом
ФКТ 82
Построение распределения семян по уровню ФКТ 82
Фракционирование семян по качеству методом ФКТ 85
ФКТ — анализ влияния физических факторов на сухие семена 86
ФКТ — определение качества семян у растений, выращенных в неблагоприятных экологических
условиях 89
111.6. Послесвечение прорастающих семян 92
II 1.6.1. Спектральные характеристики свечения
набухающих семян 93
III.6.2. Послесвечение и анаэробное состояние у
набухающих семян бобовых 95
II1.7. Контроль состояния семян во время прораста
ния ПО УРОВНЮ фОСфореСЦеНЦИИ ЭНДОГеННЫХ "lqq
порфиринов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
ВЫВОДЫ 109
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 111
Введение к работе
Для современного состояния окружающей среды характерно постоянно нарастающее техногенное давление на тропосферу, гидросферу, водные и почвенные экосистемы. По мнению академика А.В. Яблокова (1992), «...критическое экологическое состояние нашей страны в ближайшие годы перейдет в катастрофическое и может стать причиной социально-экономического неблагополучия». Уменьшение и регулирование техногенного воздействия, экологизация производства и оптимизация природопользования - проблемы, требующие современного научного обоснования.
Прямая объективная оценка качества окружающей среды основана на анализе поведения биоты, поскольку опасность любого фактора — это, прежде всего, биологическая характеристика (Сборник «Комплексные методы контроля качества природной среды», 1986). В отличие от приемов аналитической химии биологические подход выявляет интегральную опасность компонентов среды.
О реакции биоты на внешнее воздействие обычно судят по изменению средних значений параметров совокупности организмов, полагая, что распределение организмов в популяции по изучаемому признаку является нормальным. Однако на основании среднестатистических данных не всегда однозначно можно ответить на вопрос, обусловлены ли регистрируемые изменения популяции пороговой чувствительностью отдельных организмов, или воздействие изменяет качественный состав всех особей популяции одновре-
менно. Устойчивость популяции к внешним воздействиям выше, чем отдельных организмов (Гродзинский, 1972), и потому в зависимости от состава популяции тестируемая опасность изучаемого фактора может варьировать.
Биологические методы допускают использование в качестве тест объектов различные организмы и определение любых удобных показателей состояния биологического объекта. Семена высших растений с практической точки зрения удобны в качестве тест-объекта, поскольку в сухом состоянии они долго остаются жизнеспособными. Однако их использование может показаться нелогичным. Воздушно-сухие семена находятся в анабиозе (ангидробиозе), а хорошо известно, что в этом состоянии создается значительная устойчивость организмов к внешним воздействиям, которые те же организмы в жизнедеятельном состоянии не выдерживают. Сухие семена устойчивы к высоким и низким температурам, действию безводных органических растворителей, токсическим газам (за исключением кислорода), ионизирующей и УФ радиации (Голдовский, 1986).
Но во время формирования семян, а также в фазу набухания и появления проростков устойчивость семян заметно снижается. Неблагоприятные условия внешней среды во время созревания семян могут вызывать у них глубокие физиологические и биохимические изменения. Поэтому качество и жизнеспособность семян свидетельствуют об условиях, в которых формировались семена на материнском растении (Реймес, 1983).
Хорошо известно, если набухающие семена подвергнуть действию высокой или низкой температуры, засолению, ин-
токсикации и другим факторам, то прорастание семян ухудшается. Эта закономерность лежит в основе испытания биологической опасности различных агентов, а также устойчивости растений к этим факторам (Генкель, 1968; Удовенко, 1977; Кузин, 1995; Николаева и др., 1999).
В процессе длительного хранения характеристика семян постепенно ухудшается, они «стареют», качественный состав популяции семян изменяется. Однако, для биотестирования важен как качественный состав партии семян, так и качество отдельного семени.
Проверяют состояние семян проращиванием, но это медленный процесс и осуществим единожды. Рекомендуемые Международной ассоциацией оценки качества семян - ISTA (1976) экспресс методы определения состояния семян (окрашивание витальными красителями, восстановление солей тетразола, учет скорости утечки электролитов при набухании и некоторые другие физико-химические приемы), тоже не решают проблемы, так как связаны с частичным или полным разрушением семени, что исключает дальнейшее использование последнего, как индивидуального носителя информации в процессе онтогенеза растения, полученного из этого семени.
Из этих очевидных фактов следует, что для целей биотестирования важно иметь такой метод, с помощью которого можно было бы многократно определять качество семян еще до проращивания, не нарушая их нативного состояния. Этот прием позволил бы проследить динамику изменения качества воздушно-сухих семян в зависимости от влияющих на качество семян факторов и отбирать из кон-
кретной популяции семена с близкими характеристиками, что также существенно для определения физиолого-биохимических изменений у подвергнутых испытанию семян.
На кафедре биофизики биологического факультета МГУ в 1980 году было обнаружено явление длительного послесвечения воздушно-сухих семян разных растений, возбуждаемое видимым светом. Соискателем впервые зарегистрировано свечение нативных набухающих семян, которое тоже возбуждается, как и свечение воздушно-сухих семян, видимым светом. Данная работа посвящена выявлению природы этих свечений и созданию на основе этого явления прижизненного метода оценки качества семян с целью использования последних для биоиндикации и биотестирования состояния окружающей среды.
Разработка нового метода предполагала решение следующих задач:
определение основных характеристик послесвечения воздушно-сухих и набухающих семян и на их основании формулирование гипотезы о природе свечения;
исследование взаимосвязи послесвечения семян с их качеством (влажность, всхожесть и жизнеспособность);
выяснение характера распределений семян в партиях по уровню послесвечения и исследование влияния факторов среды на вид распределений;
необходимо было продемонстрировать приемы использования послесвечения семян для диагностики состояния внешней среды.
