ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2008, том 55, № 3, с. 381-386
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ПОВЫШЕНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ Glycyrrhiza uralensis ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СЕМЯН ПОТОКОМ N+
© 2008 г. С. Чжан, Т. Сиун
Колледж естественных наук, Университет Янцзы, Китай Поступила в редакцию 10.10.2006 г.
Семена солодки уральской (Glycyrrhiza uralensis Fisch) облучали низкоэнергетическим потоком №-ионов (25 кэВ) плотностью 900 х (2.6 х 1013) ионов/см2. После облучения семена помещали в пластиковые сосуды, в которых облученные и контрольные растения росли в течение месяца. Затем их на 3 дня переносили на раствор 600 мМ NaCl. Изучали морфологические и физиологические характеристики корней: содержание хлорофиллов и пролина, активности супероксиддисмутазы (СОД), пероксидазы (ПО), каталазы (КАТ), АТФазы и восстановление хлористого трифенилтетразолия (ТФТ). Показано, что облучение потоком ионов значительно увеличивало высоту побегов, число листочков, длину стержневого корня, число боковых корней, вес корней и побегов как в условиях солевого стресса, так и без него. При солевом стрессе такое облучение значительно повышало по сравнению с соответствующим контролем общее содержание хлорофиллов и пролина, активности ПО, СОД, КАТ, АТФазы и восстановление ТФТ в корнях проростков. Эти результаты показывают, что облучение потоком ионов N+ может повысить устойчивость солодки к солевому стрессу.
Ключевые слова: Glycyrrhiza uralensis - ферменты антиоксидантной защиты - облучение ионами N+ -солеустойчивость.
ВВЕДЕНИЕ
Солевой стресс является проблемой для аридных и субаридных областей всего мира. Высокие концентрации солей вредно влияют на рост растений, а в некоторых случаях даже вызывают их гибель [1]. Ограниченное число дождей, высокая скорость испарения, высокие температуры и неадекватное снабжение водой могут привести к засолению почвы в аридных пустынях. Солевые условия отрицательно влияют на скорость роста большинства растений. Это происходит или из-за осмотического стресса, или из-за токсичности ионов; действие зависит как от вида растения, так и от состава и концентрации соли [2].
Дикая солодка - пустынное растение, используемое для противодействия ветрам, закрепления песков и ослабления влияния солевых условий. Уничтожение солодки может привести к серьезным нарушениям растительного покрова [3]. На пустынных и песчаных почвах растения солодки выдерживают различные стрессы, включая повышение солености. Эта способность позволяет им расти и заканчивать жизненный цикл в засушливых областях, характеризующихся высокими
Сокращения: АФК - активные формы кислорода; КАТ -каталаза; ПО - пероксидаза; СОД - супероксиддисмутаза; ТФТ - хлористый 2.3,5-трифенилтетразолий. Адрес для корреспонденции: Xiangsheng Zhang. College[H1] of Life Science, Yangtze University, Jingzhou, 434025 China. Fax: 86-716-806-62-57; e-mail: yongshengzh@163.com
концентрациями растворимых солей [4]. Поэтому выявление биохимических и физиологических механизмов, благодаря которым солодка выдерживает эти стрессы, важно для генетики развития и интродукции, а также для повышения устойчивости растений к таким стрессам [5].
Не вполне понятен механизм устойчивости солодки к солевому стрессу. Существуют доказательства того, что растения могут защищаться, синтезируя антиоксиданты и повышая активность ферментов антиоксидантной защиты, таких как супероксиддисмутаза (СОД, ЕС 1.15.1.1), каталаза (КАТ, ЕС 1.11.1.6) и пероксидаза (ПО, ЕС 1.11.1.7) [6]. Повышению устойчивости к засолению способствует также увеличение общего содержания хлорофиллов [7] и усиление жизнеспособности корней [8]. Показано, что СОД играет существенную роль в антиоксидантной защите, так как катализирует дисмутацию супероксидных анионов (О-) в перекись водорода (Н2О2). КАТ и ПО осуществляют дальнейшее разрушение Н2О2 до безвредных молекул воды и кислорода [9]. Кроме этого, важным показателем солеустойчивости является жизнеспособность корней.
Ряд недавних исследований показал, что растения могут отвечать на солевой стресс осморегу-ляцией, т.е. аккумуляцией совместимых низкомолекулярных органических веществ, включая сахара, аминокислоты и четвертичные азотные соединения, что способствует адаптации расте-
ний к засолению. Пролин является одним из таких осмолитов, наиболее часто накапливающихся в растениях, подвергнутых солевому стрессу [10]. АТФаза генерирует электрохимический градиент, который служит движущей силой транспорта и распределения ионов [11, 12].
Долгое время биологи и физики игнорировали взаимодействие низкоэнергетических потоков ионов и организмов. В 1986 г. исследователи нашли, что облучение сухих семян растений такими низкоэнергетическиеми (кэВ) потоками ионов (№+, Ar+, N и др.) вызывало значительные мутации, проявляющиеся как в проростках, так и во взрослых растениях. Облучение потоками ионов стало новым инструментом генетики растений, характеризующимся высокой скоростью и широким спектром мутаций, а также меньшими повреждениями облученного организма по сравнению с другими стандартными мутагенами, например, у-ради-ацией [13]. В последнее десятилетие достигнут большой успех в селекции растений с использованием мутагенеза, вызываемого облучением потоками ионов, и выведено большое число новых разновидностей растений. Показано, что облучение потоком ионов может оказать также значительное стимулирующее или вредное действие, включая денатурацию белков, изменения ферментативных активностей, а также клеточную смерть. После облучения семян потоками ионов изменяются время и скорость прорастания, длина корней и высота проростков. Облучение высокими дозами ионов оказывает тормозящее действие, а облучение низкими дозами приводит к стимулирующему эффекту. Это действие является внутренним ответом на воздействие ионов и не обязательно наследуется [14, с. 145-149]. Стимулирующее и подавляющее действие изучали на ряде растений, включая рис [15], пшеницу [16], табак [17], кукурузу [18], томаты [19] и другие. Изучали также действие облучения ионными потоками на систему антиокси-дантных ферментов. Сообщалось, что активность СОД, КАТ и ПО повышалась после облучения разными дозами пучков №+-ионов [20, 21]. Однако о действии облучения потоком ионов на устойчивость растений к стрессам, включая солеустойчи-вость, ничего не известно.
В настоящей работе семена солодки облучали низкоэнергетическими (25 кэВ) потоками ионов №", и в возрасте одного месяца растения поливали 600 мМ раствором №0. Для выявления действия N на солеустойчивость и ее механизмы изучали морфологические и физиологические характеристики, такие как общее содержание хлорофиллов, содержание пролина, активность СОД, ПО и КАТ, АТФазную активность и восстановление хлористый 2,3,5-трифенилтетразолий (ТФТ) в корнях растений.
МЕТОДИКА
Растительный материал. Семена солодки (Gly-cyrrhiza uralensis Fisch) •ыли куплены у Фармацевтической компании Ванбей (Bozhou, провинция Anhui, Китай). Семена •ыли эллиптической формы, диаметр семян - 3-4 мм. ^лщина семенной кожуры составляла около G.25 мм, рубчик •ыл расположен рядом с зародышем.
Облучение потоком ионов проводили в Лаборатории облучения ионами для биоинженерии Китайской академии наук в Гафее, используя генератор ионного пучка ("Ion Beam Bio-engineering Device", Китай). Около 25G семян помещали в чашки Петри диаметром 9G мм (рубчик семян •ыл обращен к воздействующему пучку) и облучали потоком №-ионов (25 кэВ). Ионы генерировали ионизированным азотом, очищенным до 99.99%, полученным в специальном приборе. Поток ионов составлял G или 9 импульсов. Каждый импульс содержал 2.6 x 1G13 ионов/см2, каждым потоком облучали по две чашки. Продолжительность импульса составляла 2G с, интервал между импульсами - 3G с. Повторность была трехкратной для каждой обработки.
Физиологический анализ. После обработки ионным пучком все семена, включая контрольные, высевали в 25 пластиковых сосудов стандартного размера (ф1 = 15.5 см, ф2 = 8.G см, высота = 18 см). Сосуды наполняли 2 кг сухого песка, в каждый сосуд высевали по 2G семян. В сосудах поддерживали содержание воды около 1G%. Опыты проводили при комнатной температуре (25 ± 1°C), относительной влажности 5G%, освещении 2 клк и фотопериоде 16 ч. Всхожесть семян контрольной и опытной групп составляла около 9G и 8G%, т.е. в каждом сосуде получали около 15-2G проростков. Для поддержания оптимальных для роста условий на Ю-й день из сосудов удаляли большинство проростков, оставляя только по три проростка на сосуд. После месячного периода оптимального роста молодые растения подвергали прогрессивному засолению, орошая каждый сосуд в течение 24 ч половинной концентрацией раствора Хогланда, содержавшего увеличивающиеся концентрации NaCl (5G, 1GG, 2GG, 3GG, 4GG и 5GG мМ) и, наконец, в течение трех дней - 6GG мМ NaCl. После обработки проводили случайную выборку по 1G растений каждой группы и использовали в опыте.
Общее содержание хлорофилла в третьем развитом листе определяли, как описано ранее [7]. СОД, ПО и KAT экстрагировали и определяли стандартным методом по методу [22]. Содержание пролина определяли реакцией с нингидрином [23]. Жизнеспособность корней оценивали модифицированным методом, описанным David и Jack [8], по энзиматическому восстановлению TФT. Активность H+-ATФaзы измеряли по методу [24].
Cтaтиcтичеcкий анализ. Все эксперименты повторяли по три раза. ^ждую обработку
ПОВЫШЕНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ Glycyrrhiza uralensis 383
Действие облучения семян солодки пучком № характеристики растения в условиях засоления
Показатель Без облучения 900 х (2.6 х 1013) ионы/см 2
контроль NaCl контроль повышение, % NaCl повышение, %
Высота, см 15.2 ± 4.2 10.3 ± 3.1 17.6 ± 6.4 28.9* 13.4 ± 1.9 30.1
Число листьев 5.7 ± 2.1 5.3 ± 1.2 6.0 ± 0.1 5.3 5.7 ± 2.9 7.5
Число листочков 9.0 ± 5.1 6.3 ± 2.8 14 ± 2.0 55.6** 12.7 ± 3.8 101.6**
Длина стержневого корня, см 24.03 ± 2.3 26.0 ± 6.5 30.8 ± 8.3 28.2** 29.7 ± 5.0 14.2*
Число боковых корней 30.7 ± 6.8 39.6 ± 5.4 43 ± 2.0 40.1** 49.7 ± 6.5 20.3**
Сырой вес побега, г 1.08 ± 0.13 0.64 ± 0.01 1.44 ± 0.16 33.0** 0.88 ± 0.07 36.3**
Сырой вес корня, г 0.50
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.