Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика УФ-радиации как экологического фактора среды 10
1.1. Солнечная УФ-радиация 10
1.2. Биологическая активность и экологическая роль ультрафиолета. 13
1.3. Влияние УФ-В-излучения на функциональную стабильность сельскохозяйственных культур 16
1.4 Влияние УФ-В-излучения на компоненты антиоксидантной защиты 23
Глава 2. Материалы и методы исследования 34
2.1. Общая характеристика экспериментальных работ 34
2.2. Объект исследований 36
2.3. Методика УФ-В-облучениярастений 37
2.3.1 Схема полевых и вегетационного экспериментов 39
2.4. Методические подходы к оценке биологических показателей 41
2.4.1. Определение фотосинтетических пигментов 41
2.4.2. Методика количественного определения суммы флавоноидов в растительном сырье спектрофотометрическим методом 44
2.4.3. Методика определения МДА 45
2.4.4. Методика определения свободного пролина 45
2.4.5. Методика определения аскорбиновой кислоты и глутатиона 46
2.4.6. Статистическая обработка результатов измерений 47
Глава 3. Полученные результаты и обсуждение 47
3.1 Агроклиматические условия полевых экспериментов 47
3.2. Влияние УФ-В на содержание хлорофиллов и каротиноидов 53
3.3. Влияние УФ-В-излучения на компоненты неферментативной системы антиоксидантнои защиты и маркеры перекисного окисления липидов (ПОЛ) 68
3.4. Влияние УФ-В-излучения на морфологические показатели растений ячменя 79
3.5. Влияние УФ-В-излучения на цитогенетические показатели в условиях теплицы 82
3.6. Влияние УФ-В-излучения на функциональную стабильность ячменя с использованием исследованных показателей . 83
Заключение 88
Выводы 90
Список использованной литературы 92
- Влияние УФ-В-излучения на функциональную стабильность сельскохозяйственных культур
- Определение фотосинтетических пигментов
- Влияние УФ-В-излучения на компоненты неферментативной системы антиоксидантнои защиты и маркеры перекисного окисления липидов (ПОЛ)
- Влияние УФ-В-излучения на функциональную стабильность ячменя с использованием исследованных показателей
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Антропогенное воздействие на биосферу привело к ряду экологических изменений, в частности, к истощению озона стратосферы и повышению уровней ультрафиолетовой радиации спектральной области В (280-320 нм). Небывалое истощение стратосферного озона в Арктике весной 2011 года (World Meteorology Organization. Женева, 2011) показывает потенциальную опасность дополнительного УФ-В-воздействия на сельскохозяйственные культуры. Варьирующие уровни УФ-В-радиации могут влиять на урожай сельскохозяйственных культур. Показано, что даже небольшое увеличение интенсивности ультрафиолета в коротковолновой области солнечного спектра способно вызывать существенное воздействие на рост и развитие сельскохозяйственных растений (Стржижовский А.Д., 1999; Kakani V.G. et al., 2003; Дмитриев А.П., Полянский С.О., 2007). В связи с отмеченными обстоятельствами тема диссертационной работы представляется актуальной.
Степень разработанности проблемы. К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, посвященный биологическому действию ультрафиолета на естественную растительность и сельскохозяйственные культуры. Результаты исследований, касающихся влияния УФ-В-излучения, а также совместного действия ультрафиолета, приоритетных климатических и техногенных факторов на растения, обобщены и опубликованы в ряде обзорных статей (Caldwell M.M. et al., 2003; Kakani V.G. et al., 2003; Дмитриев А.П., Полянский С.О., 2007). В опубликованных работах недостаточно изучено влияние агроклиматических факторов на характер проявления биологических эффектов у сельскохозяйственных культур, вызванных действием УФ-В-радиации. Не в полной мере освещены вопросы, связанные с состоянием и функционированием системы антиоксидантной защиты в условиях хронического УФ-В-стресса.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в изучении влияния УФ-В-радиации и климатических факторов внешней среды на функциональную стабильность ячменя на основе анализа морфологических показателей растений и урожая зерна, а также биохимических маркеров неэнзиматических компонентов системы антиоксидантной защиты.
В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:
-
Провести анализ агроклиматических условий полевых экспериментов и изучить их влияние на содержание фотосинтезирующих пигментов при хроническом УФ-В-облучении растений ячменя.
-
Исследовать воздействие УФ-В-излучения и агроклиматических условий на компоненты неферментативной системы антиоксидантной защиты и маркеры перекисного окисления липидов (ПОЛ).
-
Изучить влияние УФ-В-излучения и агроклиматических факторов на морфологические показатели и урожай ячменя.
-
Исследовать действие УФ-В-излучения на цитогенетические показатели зерна облученных растений в условиях вегетационного опыта.
-
Дать оценку последствий УФ-В-облучения на функциональную стабильность ячменя с использованием показателей, исследованных в настоящей работе.
Объектом исследования является яровой ячмень сорт Зазерский 85.
Предметом исследования является изучение функциональной стабильности ячменя и формирование адаптивных реакций на действие УФ-В-облучения и агроклиматических факторов в полевых и вегетационном экспериментах.
Область исследования. Радиобиология растений: радиобиологические эффекты при хроническом УФ-В-облучении растений зерновых культур в полевых и вегетационных условиях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Диссертация выполнена в соответствии с Паспортом специальности 03.01.01 – Радиобиология. Пункты 3 «Молекулярно-клеточные и биохимические механизмы лучевого поражения» и 8 «Стохастические и нестохастические эффекты, их особенности; зависимости: доза-эффект и время-эффект».
Научная новизна. Установлены новые закономерности влияния агроклиматических факторов, выраженных в величинах гидротермического коэффициента (ГТК) Селянинова, на характер зависимостей «доза – эффект» при хроническом УФ-В-облучении ярового ячменя по ряду показателей фотосинтеза и неэнзиматическим маркерам антиоксидантной защиты. В полевых условиях зависимости содержания фотосинтетических пигментов от дозы УФ-В-излучения, существенно модифицируются агроклиматическими факторами от угнетения до стимуляции. Для ГТК = 2,5 с ростом дозы УФ-В-излучения проявлялось угнетение содержания хлорофиллов (а и b) и каротиноидов, тогда как при ГТК = 0,7 с ростом дозы УФ-В-радиации наблюдалась стимуляция их образования. Показано, что закономерности влияния солнечной УФ-В-радиации на сельскохозяйственные культуры зависят от характеристик единого комплекса гидротермических факторов внешней среды, солнечного фотосинтетического и УФ-А-излучений. Установлено повышенное по сравнению с полевыми условиями образование флавоноидов, малонового диальдегида и свободного пролина в вегетационном эксперименте. Данное обстоятельство, свидетельствует о более высокой стрессовой нагрузке УФ-В-излучения при меньших биологически эффективных дозах в вегетационных опытах по сравнению с экспериментами в полевых условиях.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическое значение имеют результаты диссертационной работы, свидетельствующие о более эффективном функционировании системы антиоксидантной защиты в естественных полевых условиях, приобретенной растениями в процессе их эволюционного развития. При этом в фотофизических и биохимических процессах системы антиоксидантной защиты принимают участие кванты электромагнитного излучения в широком диапазоне солнечного электромагнитного излучения от ультрафиолета до инфракрасного излучения. В модельных вегетационных исследованиях практически невозможно осуществить точное моделирование спектра Солнца, в связи с чем, биологическое действие физического фактора, в данном случае УФ-В-излучения оказывается более выраженным по сравнению с естественными условиями. Теоретическое значение диссертационной работы также связано с установлением новых закономерностей модификации зависимостей «доза-эффект» агроклиматическими факторами при воздействии УФ-В-излучения, которые проявляются в изменениях биохимических и морфофизиологических маркеров стрессовой нагрузки.
Для практики полезными являются результаты, демонстрирующие зависимости показателей функциональной стабильности сельскохозяйственных культур от ГТК, так как происходящие на нынешнем этапе эволюции биосферы глобальные изменения климата в первую очередь связаны с изменением гидротермических условий внешней среды. В практическом отношении представляется важным результатом прогноз потерь урожая зерна (до 30%) при истощении озона стратосферы на 40%.
Апробация и реализация результатов диссертации. Исследования проводили в рамках программ РАСХН по темам: «Разработать методы оценки устойчивости агроценозов при воздействии техногенных факторов различного происхождения» (2006 -2007 г.г.), и «Разработать методологию и усовершенствовать методы оценки состояния агроэкосистем и повышения их устойчивости на основе выявления молекулярно-генетических, физиологических, биохимических и миграционных механизмов действия физических и химических техногенных факторов на биологические объекты» (2009-2011 гг.). Исследования по теме диссертационной работы были поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Калужской области № 06-04-96312 «Особенности морфофизиологичекских реакций и репродуктивной функции потомков УФ-облученных растений» (2006 г.).
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи – в рецензируемых журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК РФ, и 4 работы в материалах научных конференций.
Основные результаты доложены на международных и российских конференциях: International Conference «Man and Environment: Enemies or Friends?» (22-24 June 2011, Moscow); IV Региональная научная конференция «Техногенные системы и экологический риск» (2007, Обнинск); VII Региональная научная конференция «Техногенные системы и экологический риск» (2010, Обнинск); VI Съезд по радиационным исследованиям. (2010, Москва).
Материалы диссертации были реализованы в «Методических указаниях по оценке устойчивости компонентов агроэкосистем к воздействию техногенных факторов разной природы» (РАСХН, ВНИИСХРАЭ, 2008) и использованы в учебном процессе кафедры экологии ИАТЭ НИЯУ «МИФИ» по курсам «Устойчивое развитие человечества» и «Безопасность жизнедеятельности».
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть (объекты и методы исследований, результаты и обсуждения), выводы, список цитируемой литературы. Диссертация содержит 108 страниц, 14 таблиц и 35 рисунков. Список литературы включает 181 ссылку, из них 80 на английском языке.
Влияние УФ-В-излучения на функциональную стабильность сельскохозяйственных культур
В настоящее время суточные глобальные наземные уровни УФ-В-излучения колеблются от 0 до 12 кДж/м , при этом самые высокие дозы наблюдаются вблизи экватора и средних широтах (Total ozone mapping spectrometer. 2002, http://toms.gsfc.nasa.gov/ery_uv/euv.html). Произошедшие за последние 3 десятилетия изменения в содержании озона и интенсивности УФ-В-излучения неоднородны на поверхности Земли. Концентрации озона в высоких широтах (включая Арктику и Антарктику) на 40-50% ниже значений, наблюдавшихся до 1980 г. В средних широтах они ниже на 3-6%, чем до 1980 г., и на экваторе концентрации озона характеризуются минимальными изменениями. Из-за истощения озона интенсивность УФ-В-излучения на поверхности Земли выросла с начала 1980х на 6-14% (UNEP 2002. Executive Summary Final of UNEP/WMO Scientific Assesment of Ozone Depletion).
Первые исследования о влиянии ультрафиолетовой радиации на растения позволили установить, что коротковолновое излучение с длинами волн 200 -320 нм обладает как угнетающим, так и стимулирующим эффектом, в то время как длинноволновые ультрафиолетовые лучи (320 - 400 нм), не оказывают существенного влияния на растения (Гурский А.В. и др., 1965).
К настоящему времени опубликован ряд обзоров, описывающих результаты влияния УФ-В-излучения на сельскохозяйственные культуры, полученные более чем в 70 научных публикациях (Kakani V.G., Reddy K.R., Zhao D., Sailaja К., 2003; Searles P.S., Flint S.D., Caldwell M.M., 2001). Знание уровней УФ-В-радиации в сельскохозяйственных регионах мира и влияния этих уровней на различные виды сельскохозяйственных культур имеет большое значение для правильного выбора возделываемых культур.
Современные суточные дозы УФ-В-радиации во время вегетационного периода варьируют от 2 до 12 кДж/м на поверхности Земли, что выше по сравнению с уровнями до 1980 г. на 6-14%. Как отмечалось выше, абсолютные значения уровней УФ-В-радиации существенно зависят от географических координат того или иного района мира. Например, для Великобритании (50 -58 с.ш.) 30% увеличение интенсивности УФ-В радиации уже оказывает влияние на районированные сельскохозяйственные растения при дополнительной биологически эффективной дозе 2,44 кДж/м2. В то же время, эти дозы значительно ниже уровней УФ-В-излучения во время вегетационного периода в ряде стран мира. Например, в хлопковом поясе США современные суточные дозы УФ-В составляют (4-11 кДж/м2) в летний период, в Китае суточные уровни УФ-В в окружающей среде в период выращивания сои (соевый пояс: 300 - 420 с.ш.) составляют в среднем 8.85 кДж/м2 (Kakani V.G., Reddy K.R., Zhao D., Sailaja К., 2003).
Прогнозируемые на будущее изменения климата неизбежны в силу непрерывной антропогенной деятельности. Возможно повышение интенсивности УФ-В-радиации, рост концентрации С02 и, как следствие, повышение температуры. Поэтому важно заранее оценить изменения в продуктивности сельскохозяйственных культур в условиях других по величине агроклиматических факторов
К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, посвященный биологическому действию ультрафиолета на естественную растительность и сельскохозяйственные культуры. Начиная с 50-ых г.г. прошлого столетия, проводились исследования по влиянию УФ-излучения на естественную растительность в условиях высокогорья, отличающегося повышенными уровнями УФИ по сравнению с равнинной местностью (Caldwell М.М., 1966). Результаты исследований, касающихся влияния УФ-В-радиации, а также совместного действия ультрафиолета, приоритетных климатических и техногенных факторов на растения, обобщены и опубликованы в ряде обзорных статей (Стржижовский А.Д., 1999; Kakani V.G. et al., 2003; Caldwell M.M. et al., 2003; Дмитриев А.П., Полянский CO., 2007).
Большая часть современных исследований по влиянию УФ-В-радиации на наземные экосистемы связана с изучением биологического действия в полевых условиях с использованием специальных ламповых систем, моделирующих дополнительное УФ-облучение для заданной величины истощения озона стратосферы (Caldwell М.М. et al., 2003).
Помимо экспериментов с лампами ультрафиолетового излучения, проведено не меньшее количество полевых исследований с применением специальных фильтров, которые устраняют или ослабляют УФ-В-излучение в нормальных условиях солнечного освещения (наряду с контрольными фильтрами, которые прозрачны для УФ-В). В большинстве случаев, когда УФ-В-излучение ослабляется, растения характеризуются лучшим ростом, а это означает, что УФ-В-радиация в определенной мере угнетает развитие растений (Hunt J.E., McNeil D.L., 1999; Mazza С.А. et al, 1999).
Аналогичные результаты были получены в условиях высокогорий, где интенсивность УФ-излучения велика по сравнению с равниной, что существенно сказывается на жизнедеятельности растений (Murali N.S. et al., 1988; Caldwell М.М. et al., 1995; Бычковская Н.Ю., 1991). В частности, показано (Худжаназарова Г.С, 2006), что экстремальные условия Памира вызывают ряд изменений анатомоморфологических признаков растений: микрофилию, приземистость, большое число спящих почек, приобретение более ксероморфного строения листьев. Выраженность биологических эффектов зависит от вида растений. Экранирование УФ-радиации в условиях высокогорий увеличивает высоту растений, приводит к возрастанию толщины пластинки листа, числа и размера устьиц, продуктивности растений. Было отмечено, что эпидерма листа, являясь полифункциональной системой, защищает нижележащие ткани, от вредного воздействия внешних факторов, в том числе, благодаря фенольным соединениям, которые эффективно поглощают УФ - В-радиацию (Худжаназарова Г.С, 2006).
Эксперименты по изучению влияния солнечной УФ-радиации также проводились в регионах повышенного УФ-излучения, вызванного образованием «озоновой дыры» в районах архипелага Огненная Земля и территории юга Аргентины (Ballare C.L. et al., 2001; Day Т.A. et al., 2001). Местные травянистые растения подвергались в обоих регионах влиянию повышенных уровней ультрафиолета. Результаты экспериментальных исследований с использованием специальных фильтров для ослабления УФ-В-радиации позволили установить существенное ингибирование роста растений, связанное с повышением фона УФИ. Действие УФ-В-излучения на рост растений возрастало с увеличением уровня истощения озона (Ballare C.L. et al., 2001).
Установлено, что повышенные уровни УФ-В-радиации вызывают различные морфофизиологические изменения у растений. Наблюдаются снижение скорости линейного роста стебля, уменьшение коэффициента кущения и числа колосоносных побегов у пшеницы (Шульгин И.А. и др., 1990). У проростков картофеля увеличение продолжительности ежедневного действия УФ-В-излучения приводит к уменьшению высоты стебля и поверхности листьев (Green A., Cross К.К., Smith L.A., 1980). При интенсивности воздействия 26.7 и 39.1 Вт/м наблюдали достоверную 15% редукцию высоты кормовой свеклы (Зяблицкая Е.Я. и др., 1991). Многие авторы при действии УФ-В-облучения отмечали снижение сухой массы растений и изменение массы семян. Так, в зависимости от сорта растения наблюдали снижение массы семян пшеницы (10%), ячменя (12-32%), гороха (11 - 26%), уменьшение сырой массы ячменя на 23%, клевера на 26 - 38%, и вики на 18% в диапазоне доз 150-250 кДж/м2 (Канаш Е.В., Савин В.Н., 1991). Установлено, что суточные дозы (1-9 кДж/м2) УФ-В-радиации вызывают как снижение, так и увеличение морфологических показателей (площадь листьев, массы растений) (Духовскис П. и др., 2009).
Эффекты действия УФ-В-радиации зависят от стадии онтогенеза растений. При действии УФ-В-облучения в определенные стадии органогенеза на яровую пшеницу диапазоне доз 389-936 кДж/м происходит увеличение фотосинтетических пигментов на 10-20%, а также наблюдается повышение продуктивности на 15-50% (Гончарова Л.И., 1995). Наибольшее увеличение площади листьев на 10-24%, биомассы на 10-40% и содержания хлорофиллов на 30-40% отмечено на I и II этапах органогенеза в дозах 220 и 470 кДж/м2 Облучение растений III этапе органогенеза, наоборот, снижало площадь листьев и биомассу на 10-15%, а содержание хлорофилла в листьях превышало контроль на 10-12%. На IV этапе органогенеза площадь листьев и биомасса увеличиваются незначительно, а содержание хлорофилла превышает контроль на 20-25%. Установлено, что фотосинтетическая электрон-транспортная цепь (ЭТЦ), даже при нормальной работе, является источником дополнительных электронов, которые вызывают образование активных форм кислорода (АФК) (Carletti P. et al, 2003). АФК, в свою очередь, вызывают образование дополнительных количеств свободных радикалов, которые оказывают токсическое действие на клетки растений и животных (Jansen М.А.К. et al, 1998). Кроме того, УФ-В радиация может ингибировать многие важные физиологические реакции, среди которых первостепенное значение отводится функционированию ЭТЦ (рис. 2). В результате происходит нарушение многих метаболических реакций, что приводит к снижению содержания фотосинтетических пигментов, накоплению продуктов перекисного окисления липидов, и изменению соотношения соединений антиоксидантной защиты.
Определение фотосинтетических пигментов
Определение биохимических параметров проводили в смешанных образцах из листьев нескольких растений с каждой из делянок соответствующего варианта опыта в 3-хкратной повторности.
Содержание фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) определяли по уравнениям, которые позволяют определить индивидуальные уровни этих соединений при расчете с использованием значений спектральной поглотительной способности различных растворов (Lichtenthaler Н.К., Wellburn A.R., 1983). В данной методической работе представлены уравнения для определения общего содержания хлорофиллов а и в в экстрактах тканей растений, которые широко используются в исследованиях процессов фотосинтеза растений (Arnon D.I., 1949). Для оценки общего содержания каротиноидов (Ziegler R., Egle К., 1965; Gaudillere J.P., 1974) были использованы дополнительные модификации уравнений, рассчитаные по спектрам той же смеси в диэтиловом эфире.
В течение исследований авторы (Lichtenthaler Н.К., Wellburn A.R., 1983) использовали различные растворители и установили несоответствие значений различных растворителей содержащих одинаковое количество пигментов. При использовании метода t.l.c (Lichtenthaler Н.К., Pfister К., 1978) можно разделить хлорофиллы и каротиноиды с помощью этилового эфира, что позволяет уточнить полученные данные с применением коэффициентов поглощения.
В таблице 5 представлены коэффициенты поглощения диэтилового эфира и других растворителей, которые общеприняты и широко используются в аналогичных исследованиях (Smith J.H., Benitez А., 1955).
При увеличении полярности растворителя (в нашем случае - диэтиловый эфир, 80% ацетон, 96% этанол и метанол) красные пики максимумов хлорофиллов перемещаются в более длинноволновую область При этом максимальные значения «красных» пиков поглощения хлорофиллов и коэффициенты поглощения уменьшаются.
Были определены значения оптических коэффициентов поглощения для общего содержания каротиноидов и ксантофиллов в листе (А1%1 cm для Х+С) при 470 нм. На основе этих коэффициентов получены следующие уравнения для определения индивидуальных уровней хлорофилла а (Са) и хлорофилла b (Cb), общая сумма каротиноидов (Сх+с) и хлорофиллов (Са + СЬ), а также значения спектральной поглотительной способности (А) при разных длинах волн:
Диэтиловый эфир:
Са = 10.05А662-0.766 А644 (1)
СЬ = 16.37А644-3.14 А662 (2)
Сх+с = 1000А470-1.28 Са -56.7 Св /230 (3)
Метанол:
Са = 15.65А666-7.34 А653 (4)
Cb = 27.05A653-11.21 А666 (5)
Сх+с = 1000А470-2.86 Са -129.2 Св /245 (6)
Этанол (96% v/v):
Са = 13.95А665-6.88 А649 (7)
СЬ = 24.96А649-7.32 А665 (8)
Сх+с =1000А470-2.05Са-114.8 Св/245 (9)
Ацетон (80% v/v): Ca = 12.21 A663-2.81 A646 (10)
Cb = 20.13A646-5.03 A663 (11)
Cx+c = 1000A470-3.27 Ca -104 CB /229 (12)
Ацетон (100% v/v):
Ca=11.75A662-2.35A645 (13)
Cb = 18.61A645-3.96 A662 (14)
Cx+c = 1000A470-2.27 Ca -81.4 CB /227 (15)
Каждая формула была проверена с использованием эталонов, содержащих одинаковое количество пигментов листа в различных растворителях. Данные формулы уменьшают экспериментальную ошибку спектрофотометра ниже 5%. Коэффициенты, данные в таблице 5, представляют средние значения полученные на двух спектрофотометрах УФ 200 Shimadzu и Unicam SP 8000. При использовании чистого хлорофилла а и b при 470 нм эти коэффициенты могут применяться для любого спектрофотометра.
Влияние УФ-В-излучения на компоненты неферментативной системы антиоксидантнои защиты и маркеры перекисного окисления липидов (ПОЛ)
Как уже отмечалось, неферментативная система защиты представлена соединениями-антиоксидантами, такими как каротиноиды, аскорбиновая кислота (АК), восстановленный глутатион (GSH), а-токоферол, флавоноиды и др. Все эти соединения способны неферментативно или с помощью ферментов нейтрализовать АФК (Прадедова Е.В., Ишеева О.Д., Саляев Р.К., 2011). Влияние УФ-В-радиации на каротиноиды было рассмотрено в предыдущем разделе, имея в виду их активное участие в процессах продуцирования фотосинтезирующих пигментов.
Низкомолекулярные неэнзиматические антиоксиданты представляют собой различные по структуре и химическим свойствам соединения, способные взаимодействовать с кислородными и органическими радикалами, ингибировать протекание свободнорадикальных процессов в клетках. Усиление техногенной нагрузки на среду, как правило, вызывает повышение содержания каротиноидов, фенольных соединений и уменьшение количества аскорбиновой кислоты.
Следствием влияния повышенных уровней УФ-В-излучения является накопление в листьях большинства высших растений фенольных соединений, которые защищают клетки не только от УФ-В-радиации, но и от сопутствующих климатических стрессоров (засуха, засоленность почвы) (Клозе, Мак Артур, 2002; McClure J.W., 1975; Bieza К., Lois R., 2001). Исследования показали увеличение компонентов, поглощающих УФ-В-излучение от 10 до 300 % у сельскохозяйственных культур (Kakani V.G. et al., 2003). УФ-В-радиация, прошедшая через эпикутикулярный восковой слой, достигает эпидермального слоя. Показано (McClure J.W., 1975), что эпидермальный слой аккумулирует большую часть вторичных метаболитов, таких как фенольные смолы и флавоноиды, которые поглощают и экранируют нижележащие ткани от УФ-В-излучения. Если защитных функций эпитикулярного слоя и флавоноидов к воздействующим уровням УФ-В-радиации недостаточно, то о негативном действии УФ-В-излучения на растения можно судить по увеличению показателя интенсивности окислительных процессов конечного продукта перекисного окисления липидов - малонового диальдегида (МДА).
В таблице 8 представлены результаты полевых и вегетационного экспериментов по влиянию повышенных уровней УФ-В-излучения на содержание флавоноидов и МДА.
На рисунке 24 показаны зависимости содержания флавоноидов в растениях ячменя от биологически эффективной дозы УФ-В-излучения при разных гидротермических условиях внешней среды.
Как видно из представленных данных, повышенная влажность, невысокие температуры в первые три декады вегетационного периода 2006 г. (и как следствие высокие значения ГТК =2,5) способствовали повышению содержания флавоноидов в тканях ячменя. Индукция флавоноидов в 2007 г. (ГТК=0.7) повысилась незначительно. В то же время следует отметить общую тенденцию к увеличению в растительных тканях флавоноидов, выполняющих защитную функцию по отношению к УФ-В, являясь хромофорами-поглотителями квантов УФ-В-излучения.
Активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) является показателем окислительно-востановительного гомеостаза в растениях. Одним из показателей ПОЛ может служить один из конечных продуктов перекисного окисления липидов малоновый диальдегид (МДА).
На рисунке 25 представлены зависимости содержания МДА в растениях ячменя от биологически эффективной дозы УФ-В-излучения, полученные в полевых условиях, отличающихся гидротермичесими показателями.
Представленные результаты показывают дозозависимые стимуляцию МДА при ГТК = 2,5 и незначительное угнетение при ГТК = 0,7. В то же время следует отметить существенное влияние на содержание МДА гидротермических условий 2006 и 2007 г.г., что могло стать причиной различия в содержании МДА в контрольных пробах более чем в 2 раза.
Как уже отмечалось, накопление свободного пролина является маркером стрессового состояния. Это соединение обладает протекторным и антиоксидантным действием, защищает белки и мембраны от воздействия свободных радикалов. В таблице 9 представлены уровни содержания свободного пролина в растениях ячменя при хроническом облучении в полевых условиях (2007 г.) и в условиях тепличного вегетационного опыта.
На рисунке 26 показаны зависимости содержания свободного пролина от биологически эффективной дозы УФ-В-излучения для полевого и вегетационного экспериментов.
Данные показывают увеличение содержания свободного пролина в растениях ячменя на 30 сут. хронического УФ-воздействия как в полевых условиях, так и в тепличном эксперименте.
Наряду с рассмотренными маркерами компонентов системы антиоксидантной защиты аскорбиновая кислоты и глутатион также могут указывать на развитие окислительного стресса. Недавние исследования в этой области позволяют заключить, что аскорбиновая кислота и глутатион могут действовать независимо друг от друга, но возможен и обратный эффект. Увеличение активности их производных способствует передаче сигналов, которые возникают в ответ на изменение окислительно-восстановительного равновесия в клетке (Рис. 27).
В таблице 10 представлены результаты, характеризующие влияние УФ-В-радиации на содержание компонентов аскорбат-глатутионового цикла в листьях ячменя в условиях полевых экспериментов и в тепличном вегетационном опыте.
На рисунках 28-29 показаны зависимости содержания аскорбиновой кислоты и глатутиона от биологически эффективной дозы УФ-В-излучения в полевых условиях, отличающихся гидротермическими показателями.
Полученные результаты показывают, что уменьшение содержания аскорбиновой кислоты наблюдалось в дождливый период 2006 г. в диапазоне доз УФ-В-радиации 81-132 кДж/м . В солнечный период 2007 г. количество аскорбиновой кислоты изменяется незначительно в диапазоне доз УФ-В-радиации 106-188 кДж/м . Возможно, отсутствие изменений в содержании аскорбиновой кислоты в солнечный период указывает на высокую адаптивную способность ячменя в данный период, а изменение пула глутатиона является следствием процесса акклиматизации растений в ответ на воздействие УФ-В-облучения, что подтверждает восстановительные свойства последнего.
Уменьшение концентрации глутатиона наблюдалось на протяжении всех 2-х лет полевого эксперимента. В дождливый период (2006 г. ГТК= 2.5) самое значительное уменьшение глутатиона наблюдалось в дозе 132 кДж/м , а в солнечный период 2007 г. - в дозах УФ-В-радиации 132 и 188 кДж/м2. Изменение содержания глутатиона существенно зависит от гидротермических условий вегетационных периодов 2006 и 2007 г.г., что могло стать причиной в различии содержания глутатиона в контрольных пробах более чем в 3 раза.
На рисунке 30 представлены зависимости содержания компонентов антиоксидантной защиты аскорбат-глутатионового цикла в листьях ячменя от биологически эффективной дозы в вегетационном эксперименте.
Представленные результаты показывают дозозависимое увеличение содержания глутатиона и практически постоянное содержания аскорбированной кислоты.
Таким образом, исследования влияния хронического УФ-В-излучения на компоненты неферментативной системы антиоксидантной защиты и маркеры перекисного окисления липидов (ПОЛ) позволяют говорить о том, что повышенная влажность, невысокие температуры в первые три декады вегетационного периода 2006 г. (и как следствие высокие значения ГТК =2,5) способствовали повышению содержания флавоноидов в тканях ячменя. Индукция флавоноидов в 2007 г. (ГТК=0.7) повысилась незначительно. Полученные результаты согласуются с общей тенденцией к увеличению в растительных тканях флавоноидов, выполняющих защитную функцию по отношению к УФ-В, являющихся хромофорами-поглотителями квантов УФ-В-из лучения.
Представленные результаты показывают дозозависимые стимуляцию малонового диальдегида (МДА) в растительной ткани ячменя при ГТК = 2,5 (2006 г.) и незначительное угнетение при ГТК = 0,7 (2007 г.). Существенное отличие гидротермических условий 2006 и 2007 г.г. могло стать причиной различия в содержании МДА в контрольных пробах более чем в 2 раза.
Данные проведенных исследований показали увеличение содержания свободного пролина в растениях ячменя на 30 сут. хронического УФ-воздействия как в полевых условиях, так и в тепличном эксперименте.
Влияние УФ-В-излучения на функциональную стабильность ячменя с использованием исследованных показателей
В таблице 14 представлены результаты биохимических исследований, характеризующих показатели фотосинтеза и компоненты антиоксидантной защиты.
Исследования влияния хронического УФ-В-излучения на компоненты неферментативной системы антиоксидантной защиты и маркеры перекисного окисления липидов (ПОЛ) позволяют выделить следующие основные закономерности:
Результаты настоящих исследований показали, что в полевых условиях зависимости содержания фотосинтетических пигментов от дозы УФ-В-излучения, существенно модифицировалось агроклиматическими факторами от угнетения до стимуляции. В дождливый период 2006 г. (ГТК = 2,5) с ростом дозы УФ-В-излучения отмечалось угнетение содержания хлорофиллов (а и Ь) и каротиноидов. Тогда как в 2007 г. (ГТК = 0,7) с ростом дозы УФ-В-радиации наблюдалась стимуляция хлорофиллов и каротиноидов.
При хроническом УФ-В-облучении повышенная влажность, низкие температуры в первые три декады вегетационного периода 2006 г. (и как следствие высокие значения ГТК =2,5) способствовали повышению содержания флавоноидов в тканях ячменя. Содержание флавоноидов в 2007 г. (ГТК=0.7) повысилась незначительно. Полученные результаты согласуются с общей тенденцией к увеличению образования флавоноидов, выполняющих защитную функцию по отношению к УФ-В-радиации и являющихся хромофорами-поглотителями квантов УФ-В излучения. Представленные результаты показывают дозозависимые стимуляцию малонового диальдегида (МДА) в растительной ткани ячменя при ГТК = 2,5 (2006 г.) и незначительное угнетение при ГТК = 0,7 (2007 г.). Существенное отличие климатических условий 2006 и 2007 г.г. могло стать причиной различия в содержании МДА в контрольных пробах более чем в 2 раза.
Данные проведенных исследований показали увеличение содержания свободного пролина в растениях ячменя на 30 сут хронического УФ-В-воздействия как в полевых условиях, так и в вегетационном эксперименте. Полученные результаты показывают, что дозозависимое уменьшение содержания аскорбиновой кислоты наблюдалось в дождливый период 2006 г. В солнечный период 2007 г. количество аскорбиновой кислоты изменялось незначительно.
Дозозависимое уменьшение концентрации глутатиона наблюдалось на протяжении всех 2-х лет полевого эксперимента. Контрастные климатические условия вегетационных периодов 2006 и 2007 г.г. могли стать причиной в различии содержания глутатиона в контрольных пробах более чем в 3 раза.
Обращает на себя внимание повышенное по сравнению с полевыми условиями образование флавоноидов, МДА и свободного пролина в вегетационном эксперименте. Данное обстоятельство, свидетельствует о более высокой стрессовой нагрузке УФ-В-излучения, которая обычно наблюдается в теплицах и камерах искусственного климата по сравнению с экспериментами в полевых условиях (Caldwell М.М. et al., 2003). В условиях вегетационного опыта наблюдали дозозависимое увеличение содержания аскорбированной кислоты и практически постоянное содержание глатутиона. Биохимические показатели, исследованные в настоящей работе чрезвычайно лабильны при воздействии внешних факторов. Как было показано выше, дозозависимые (от УФ-В) изменения биохимических маркеров существенно модифицируются гидротермическими условиями вплоть до полного изменения характера дозовой зависимости - от дозозависимой стимуляции до дозозависимого угнетения. Исключение из данной мозаичной картины, по всей видимости, могут составлять флавоноиды, повышенное образование которых наблюдалась во всех экспериментах.
Обращает на себя внимание повышенное по сравнению с полевыми условиями продуцирование флавоноидов, МДА и свободного пролина в вегетационном эксперименте. Полученные результаты свидетельствуют о более высокой стрессовой нагрузке УФ-В-излучения, которая обычно наблюдается в теплицах и камерах искусственного климата по сравнению с экспериментами в полевых условиях (Caldwell М.М. et al., 2003).
Как отмечалось выше, абсолютные значения представленных маркеров антиоксидантной защиты в определенной степени зависят от агроклиматических условий и, возможно, качества посевного материала. Так, например уровни содержания глутатиона и малонового диальдегида отличались в контрольных пробах 2006 и 2007 г.г в 3 и в 2 раза соответственно, что ограничивает использование указанных маркеров, для оценки состояния системы антиоксидантной защиты в полевых условиях. Динамика изменения биохимических показателей от дозы (времени облучения) также весьма существенно зависит от агроклиматических факторов внешней среды. Все это позволяет говорить о целесообразности применения использованных биохимических маркеров условиях контролируемых внешних факторов для решения задач, например, связанных с изучением механизмов антиоксидантной защиты.
Из представленных результатов можно сделать вывод о том, что биохимические маркеры при действии дополнительного УФ-облучения и агроклиматических факторов реагируют на внешние воздействие и данная реакция свидетельствует об активном функционировании системы антиоксидантной защиты. Дозозависимые функции биохимических маркеров свидетельствуют о влиянии У Ф-В-излучения в исследуемом диапазоне биологически эффективных доз на состояние системы антиоксидантной защиты.
Исследования морфофизиологических характеристик показали, что они как в полевых, так и в вегетационном экспериментах в основном определялись агроклиматическими условиями 2006 и 2007 г.г. в поле и световыми и термическими режимами теплицы. Дозовые зависимости выражены неопределенно и слабо, за исключением показателей урожая зерна. Следует отметить, что полученные результаты по дозам, вызывающим угнетение урожая зерна покрытосеменных на примере ярового ячменя в полевых условиях не показали зависимости от ГТК в исследованном диапазоне величин данного коэффициента.
Хроническое УФ-В-облучение растений ячменя в вегетационных условиях при суммарной биологически эффективной дозе до 220 кДж/м2 не привело к существенным изменениям всхожести и пролиферативной активности семян, полученных от облученных растений. Доза до 270 кДж/м2 незначительно снизила индекс митотической активности, а в дозе до 320 кДж/м2 дополнительно наблюдали увеличение доли растений с хромосомными аберрациями.
В целом, по совокупности полученных изменений биохимических, морфофизиологических и цитогенетических показателей можно сделать вывод о влиянии уровней УФ-В-облучения, соответствующих 40% истощению озона стратосферы на функциональную стабильность ячменя.
