Введение к работе
С теоретической точки зрения опадение органов или тканей представляет собой интегральное выражение старения и своеобразной адаптации растений к неблагоприятным условиям. Опадение присуще не только созревающим , но и молодым органам, напримор, цветочным почкам, завязям, верхушкам побегов. Оно варьирует у разных видов и сортов, относящихся к одному виду. При нормальных условиях опадение приурочено к определенному периоду роста и развития и происходит всегда в строго локализованном месте.
Сложность и недостаточная изученность процесса опадения не
позволяет регулировать его у растений в с-х индустрии. Так,
ежегодно теряются сотни миллионов рублей из-за значительного
предуборочного опадения плодов яблони и сложности сбора
созревших плодов маслин, перца, облепихи, шиповника, аронии
черноплодной, дефолиации саженцев перед выкопкой. Пока не
удается разрешить указанные проблемы с помощью селекционных
методов. Например, в течение 300 лет безуспешными оказываются
попытки создания растений маслин с отделяющимися плодами.
Решение этих задач возможно либо путем применения экзогенных
физиологически активных веществ, либо путем создания
трансгенных растений. Так, в США для снижения предубооочного опадения плодов яблони предпринята попытка создания трансгенного растения сорта Mcintosh путем снижения экспрессии гена полигалактуроназы.
Необходимым условием успеха и в том, и в другом случае является фундаментальное изучение процесса, на который необходимо воздействовать.
Актуальность и состояние вопроса. Все случаи физиологического опадения обусловлены множеством вариаций коррелятивных отношений, среди которых превалирует ингибирование. Развивающиеся органы, исходя из стратегии на выживание, содержат клетки зоны опадения в состоянии " ареста" развития относительно соседних тканей путем регулирования степени синтеза или секреции либо гормонов, либо энзимов (Addicott, 1982). Изменения, связанные со старением , повреждением органов
или действием стрессов, нарушают сложившийся баланс указанных веществ, что приводит к освобождению зоны опадения от ингибирования и, соответственно, опадению органов. Регуляторний механизм процесса опадения чувствителен к внешним воздействиям и черезвычайно пластичен. Это обусловливает многообразие его форм. Так, отделительный слой у завязей вишни формируется в месте прикрепления плодоножки к побегу, а у созревших плодов - в месте прикрепления плода и плодоножки ( Bukovac, 1971 ). Листья с частью черешка у растений бука, граба завядают и погибают осенью, а небольшая доля ткани в основании черешка, включая отделительный слой, остается живой, и процесс опадения заканчивается весной (Berkley, 1931) .
Однако у ряда растений в процессе эволюции механизмы нарушения коррелятивного ингибирования во время развития плодов или листьев не выработались. В результате чего опадения этих органов не происходит ( Addicott, 1982 ). Именно по этой причине не отделяются листья томатов, табака, свеклы, хлопчатника, созревшие плоды олив, шиповника, облепихи, калины, аронии черноплодной, что значительно затрудняет их сбор.
Сформулированные ранее принципы регуляции опадения не могли объяснить многочисленных исключений. Вместе с тем, наблюдения за воздействием факторов окружающей среды или экзогенными регуляторами роста позволили предположить следующее : градиент ауксинов в растении является решающим в поддержании зоны отделения в нечувствительном состоянии к этилену, следствием чего является и удерживание органов на растении ( Ракитин, 1947; Barlow, 1950 ; Hall,1952; Abeles,1972; Addicott, 1970). Иными словами доминантная роль ауксина в процессе опадения - ингибирование, а этилена - стимулирование. Ауксиновый градиент в растении обусловлен факторами, которые ннгибируют старение органа, например, цитокининами, светом, сбалансированным питанием (Addicott, Lynch, 1951; Read, 1985 ) Изменения градиента ауксина приводит к тому, что зона опадения становится чувствительной к этилену. Нанесение ауксина на часть растения, проксимальную к зоне опадения, удаление листовой пластины, обработка факторами старения стимулирует процесс опадения (Addicott et al.,1949; Addicott,Lynch,1951). Этилен или стресс, приводящий к образованию этого гормона, также способствуют процессу опадения путем снижения синтеза ауксина и/или интерферируя с зго транспортом из листьев(Веуег,1975).
Стимуляция опадения абсцизовой кислотой (АБК ) может быть связана с ее способностью увеличивать образование этилена или ингибировать синтез / транспорт ауксина (Sagee et al.,1980; Addicott,1982 ).
По мере снижения уровня ауксина чувствительность клеток
зоны опадения к этилену повышается. Эндогенный или
экзогенный этилен даже в низкой концентрации обусловливает
действие гидролитических энзимов и, в итоге, опадение ( Jackson ,
Osborne,1970). Была предпринята попытка использования этих
положений для решения практических задач: дефолиации
саженцев плодовых растений перед выкопкой, инициирования
опадения созревших плодов черешни, олив, перца, дефолиации
хлопчатника в целях подготовки растений к механизированному
сбору. Создание ингибиторов транспорта ауксина типа
трииодбензойной кислоты (ТИБК), а также препаратов , которые
при соприкосновении с тканями растений выделяют этилен [этрел,
этефон, кампозан, действующее вещество которых 2-ХЭФК (2-
хлорэтилфосфоновая кислота)] позволили получить ряд
практических результатов по ускорению созревания плодов. Но до сих пор проблема дефолиации хлопчатника не решена, не удалось инициировать опадение созревших плодов облепихи и шиповника (Трушечкин и др.,1973), действие ХЭФК на дефолиацию саженцев яблони варьирует из года в год и, что не менее важно, вызывает отрицательное последействие (Бакун,1975).
Неудачи при экстраполяции экспериментальных данных для
практического использования обусловлены тем обстоятельством,
что большая часть опытов была выполнена на эксплантах с
листьями или плодами после инициирования или в процессе
формирования отделительного слоя ( Davis, Addicott, 1972;
Martin,Nishijima, 1972). Поэтому полученные данные скорее
связаны со стимуляцией, а не с инициированием образования
отделительного слоя (Zucconi,Bukovac,1973; Zucconi, 1974 ).
Последнее было подтверждено в ряде экспериментов, где
исследователи пытались добавить недостающий для
стимулирования процесса опадения экзогенный этилен. Например, повышение концентрации внутритканевого этилена у молодых плодов черной смородины в 7 раз путем обработки этрелом перед ранним осыпанием не приводило к увеличению числа опавших плодов ( Lipe,1978 ) .
Интенсивность выделения этилена у зеленых маслин при созревагии составляет 0,06 мкл/г ч, что недостаточно для инициирования образования отделительного слоя. Обработка растений этиленом ( 10, 25 или 100 ррт в течение 24 час), этрелом или алсолом способна вызвать снижение прочности прикрепления и отделение плодов в различных местах на оси соцветия и плодоножке. Причем экзогенный этилен не повышает, а алсол или этрел, наоборот, повышают концентрацию внутритканевого этилена ( Blumenfeld et al.,1978) . Обработка 1-НУК (1-нафтилуксусная кислота) перед, одновременно или после обработки этрелом растений зеленых маслин незначительно задерживала снижение прочности прикрепления, но опадения не предотвращало. Иными словами присутствие ауксі нов не являлось критическим фактором в этом процессе (Hartmann et al., 1970 ). Если при этом учесть , что эффект опадения был значительнее при применении экзогенного этилена ( но не этрела или алсола), а снижение эффекта после применения последних обусловлено недостаточным присутствием этилена в тканях-мишенях (Kitren et al.,1983), то чувствительность тканей, вероятно, может определяться скорее присутствием или отсутствием специфического рецепторного белка ( Trewavas, Jones, 1981; Trewavas, 1982 ). Согласно Тревью (Trewavas,1982) и Янг (Jang, 1985 ) взаимодействие регуляторов роста с рецептором можно суммировать следующим образом: регулятор роста (РР ) +
рецептор (Р ) > > > промежуточные реакции >
> физиологический эффект. По-видимому, у зеленых маслин в месте формирования отделительного слоя содержание рецепторов недостаточно . и соответственно низкая чувствительность к этилену. Поэтому для инициирования опадения плодов у зеленых маслин необходима высокая концентрация экзогенного этилена (РР ) . У черных маслин, вероятно, рецептор этилена утрачен, поскольку не представляется возможным пока вообще вызвать формирование отделительного слоя у плодов этих растений (Blumenfeld et al., 1978 ).
Поскольку рецепторы локализованы в мембранах, то такие факторы, как, электрический потенциал, давление, гидрофобные соединения, способные изменять их структуру, могут модифицировать взаимодействие РР и Р и в результате -чувствительность ( Trewavas, 1982 ). Например, инициирование опадения молодых плодов персика после июньского осыпания (плоды в это гремя облчдают низкой потенцией к опадению) наблюдались лишь в варианте с применением CGA ( [ 2 -
chloroethyl] methylbis ( phenylmethoxy ) silane ), но не с применением ХЭФК , хотя оба этиленвыделяющие вещества. Однако в отличие от ХЭФК CGA является гидрофобным соединением( Noga.Bucovac, 1987 ) . В настоящее время предпринята попытка по идентификации и количественному определению рецепторов.
Регулирование инициирования процесса опадения затруднено и большим пробелом в исследованиях промежуточных реакций между рецепцией и физиологическим эффектом, который изменяется в зависимости от направленности и количества промежуточных звеньев.
Концептуально мы предполагаем,что механизм торможения инициирования процесса опадения многовариантен, нарушить его в зависимости от состояния растения, корреляционных процессов, происходящих в нем, представляется возможным на разных уровнях (рис.1) :
контролируя содержание этилена в тканях путем добавления экзогенного этилена;
регулируя содержание эндогенного этилена в тканях с помощью стимулирования синтеза этилена;
- контролируя рецепцию этилена растительными тканями или
органами ;
- изменяя промежуточные звенья между рецепцией и
физиологическим эффектом.
Исходя из изложенного выше, у некоторых видов с
неопадающими плодами или листьями, а также у части плодов или листьев одного растения решающим может оказаться один из элементов многовариантной системы торможения процесса опадения. Расшифровке заблокированных элементов в механизме регулирования инициирования процесса опадения на примере созревших плодов облепихи и листьев саженцев яблони и практическому использованию новых выявленных элементов механизма процесса опадения и посвящена настоящая работа.
Концептуальная модель многобариантности тормои/ешя аницииробания процесса опадешр
Заблакирабано /устаиоблрио бпербые/
У плодоб облепихи
шипобнша, листьеб
яблони
X
У плодоб облепихи
X
У плодаб облепихи, листьеб яблони
X
У плодоб
облепихи,
листьеб
яблони
У ллсдоб облепихи, шипобни/са, листьеб яблони.
инициатор опадения зшленґЖШ ?
рецепция
(Р)
Э+Р
промешугач-ше реакции
синтез гидролитических срерментоб
секреция гидролитических срерментоб
опадение
У лиспе б аіїпоки.
путем диполните/гьно-го синтеза эндогенного згилрна о помощью ХШйЭС
—\жиЬируетея \-~Зрктиаируетея [——) до 60%
У ппадоб облепихи
путем ддбаЬления экзогенного этилена 6 форме этиленбы-деляющего Ьещестба
^LCiF+БС
активируется -*—актибируется -— до 80%
путем добоЬления экзогенного этилена 6 аюрме этиленбы-деляющего бещестба
У плодоб шипобниха
достигается
/Ьпербые усгаиадлено/
Мп+++5С
Везде:
у созреб'ших плодоб
и пистьед сашенцеб яблони
Рис. 1
— до 60Х
Цели и задачи исследования. Целью исследований является:
выявление новых неизученных ранее элементов многовариантной системы торможения и инициирования процесса опадения у плодов и листьев для разработки путей подготовки растений облепихи и шиповника к механизированному сбору и дефолиации саженцев яблони перед, пыкопкой.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
- определение корреляций между ростом плодов и семян, опадением первых и целостностью растений;
раскрытие отношений между абсцизовой кислотой, нндолилуксусной кислотой. этиленом, инициированном и стимуляцией опадения;
определение отношений между применением этилена, этиленпродуцентов, веществ, активирующих синтез эндогенного этилена, их проникновением, распадом, активностью и секрецией гидролитических ферментов и процессом инициирования опадения;
скрининг новых препаратов на основе изученных закономерностей при разработке способа подготовки растений облепихи к механизированному сбору и рекомендаций по дефолиации саженцев в питомнике перед выкопкой.
Научная новизна. В процессе решения перечисленных вопросов были получены следующие новые фундаментальные результаты :
- предложена и сформулирована концептуальная модель многовариантной системы торможения инициирования процесса опадения ;
- определены новые элементы в системе торможения инициирования процесса опадения у созревших плодов облепихи и шиповника;
- впервые установлена зависимость числа элементов в системе торможения процесса опадения у плодов облепихи от фазы развития плода и семени, сорта и целостности растения;
- впервые найдены факторы , обусловливающие включение экзогенного этилена в систему инициирования процесса опадения созревших плодов облепихи и шиповника;
- доказана способность хлорметилметилдиэтоксисилана (ХММДЭС) снимать коррелятивное ингибирование инициирования процесса опадения листьев саженцев яблони перед выкопкой путем повышения синтеза эндогенного этилена;
-впервые экспериментально установлено, что ингибирование процесса опадения листьев саженцев яблони обусловлено заблокировашюстью синтеза предшественника этилена АЦЩаминоциклопропанкарбоновая кислота), содержание которого в растительных тканях в этом случае черезвычайьэ низко;
- впервые достигнуто инициирование опадения созревших плодов облепихи до 80%, шиповника до 60%, листьев яблони до
80%.
Практическая значимость работы. Результаты исследований по выясчению числа и типа звеньев в системе торможения инициирования процесса опадения дают возможность практического решения вопроса подготовки плодоносящих растений облепихи и шиповника к механизированной уборке, дефолиации саженцев яблони перед выкопкой.
Результатом установления связи между степенью интенсивности выделения этилена семенами перед началом созревания плодов облепихи и реакцией растений на обработку впервые предложенной смесью ХЭФК+БС+ионы меди является определение сортов и форм, созревшие плоды которых способны инициировать процесс опадения под действием указанной смеси.
Скрининг новых препаратов для дефолиации саженцев яблони,
изучение их действия на уровне синтеза эндогенного этилена,
интенсивности выделения этилена и связи с инициированием
процесса опадения листьев позволили: установить вещество
(ХММДЭС), способное не только инициировать процесс опадения
листьев, но и обеспечить нормальное развитие саженцев в
последующие годы; прогнозировать синтез веществ для
дефолиации со способностью их инициирования синтеза
эндогенного этилена внутри тканей растения.
Данные экспериментов могут быть использованы в селекционно-генетических и генинженерных программах, например, при решении проблемы создания сортов облепихи, способных к снятию коррелятивного ингибирования инициирования процесса опадения созревших плодов.
Положения.выносимые на зашиту :
концептуальная модель многовариантности системы торможения инициирования процесса опадения;
результаты теоретического и экспериментального исследования, позволившие выявить элементы многовариантной системы торможения инициирования процесса опадения у созревших плодов облепихи на уровне целого растения и отдельных плодоносящих побегов;
метод включения экзогенного этилена в систему инициирования процесса опадения созревших плодов облепихи и шиповника;
доказательства в пользу гипотезы о том, что реакция растений (саженцев яблони) на введение экзогенных веществ ( этилена ) отличается от ответа на повышение его синтеза ( этилена ) у растений;
- способ подготовки растений облепихи для механизированной
уборки;
-практические рекомендации по дефолиации саженцев яблони перед выкопкой.
Апробация раорты. Основные положения и результаты исследований, изложенные в докладе, сообщены на Всесоюзной конференции "Биология, химия и фармакология облепихи" (г.Новосибирск, 1982 г.); на XIV Международном симпозиуме "Механизм действия гербицидов и синтетических регуляторов роста" (г. Уфа, 1984); на 5-ом Международном симпозиуме но регуляторам роста ( г.Римини, Италия, 1985 г.); иа совещании Московского общества испытателей природы "Состояние и перспективы развития культуры облепихи в нечерноземной зоне РСФСР" ( г.Москва, 1986 г. ); на Всесоюзном совещании "Биология, химия и селекция облепихи" ( г.Горький, 1986 г. ); на
Всесоюзной конференции "Исследования облепихи и облепихового
масла" ( г.Душанбе, 1987 г. ); на Всесоюзном координационном
совете по проблеме "Новое в биологии,химии и фармакологии
облепихи" (г. Новосибирск, 1991 г. ); на рабочем совещании по
программе "Регуляторы роста и развития растений" ( г.Москва,
1991 г. ); на Международном симпозиуме по облепихе ( г.Барнаул,
1993 г. ) ; на Международной конференции.посвященной 90-летию
открытия этилена,как регулятора роста ( г. Пущино, 1992 г. ); на
2-ой конференции по регуляторам роста и развития растений
(г.Москва, 1993 г.); на Всероссийском научно-методическом
совещании "Проблемы и перспективы адаптивного садоводства
России" (г. Москва, 1994 г. ); на японско-российской рабочей
встрече "Северные культуры,физиология и селекция" (г.Саппоро,
Япония, 1994 г.) ; на 3-ей Международной конференции по
регуляторам роста и развития растений (г. Москва, 1995 г.); на
ежегодном симпозиуме по физико-химическим основам
физиологии растений ( г. Пенза,1996 г.).
Реализация результатов исследований. Результаты исследований защищены 8 авторскими свидетельствами. На основе полученных данных :
разработаны рекомендации по дефолиации саженцев яблони перед выкопкой;
проведены производственные испытания препарата деситрел для дефолиации саженцев яблони в питомниках ОПХ ВСТИСП.г.Москва, совхоза "Обоянский" Курской области;
- проведены испытания препарата деситрел для дефолиации
плодоносящих растений облепихи после сбора урожая для
приготовления из листьев лекарственного средства по договору с
ВИЛР;
- прокедены производственные испытания смеси кампозана+БС на
плантациях облепихи совхоза-завода им. Мичурина Херсонской
области, совхоза "Суртовский" Марийской АССР с целью
подготовки растений к механизированному сбору;
после механизированного сбора определены остаточные количества ХЭФК в плодах, выделенном из последних соке и медицинском препарате "Облепиховое масло", полученным методом фреоновой экстракции;
- в результате испытании подсчитан экономический эффект при применении кампозана+БС и последующем ручном встряхивании созревших плодов облепихи: 270 руб. при уборке одной тонны плодов в ценах 1989 г.
Акты испытаний и копии авторских свидетельств прилагаются.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 59 печатных изданий, из них одна брошюра, 8 авторских свидетельств, остальные научные статьи.
