ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 6, с. 682-690
^=ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ =
УДК 577.17:58.032.1
РОЛЬ ГОРМОНАЛЬНОГО БАЛАНСА ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ К ЗАТОПЛЕНИЮ
© 2007 г. Е. Ю. Бахтенко*, И. В. Скоробогатова**, Н. П. Карсункина**
*Вологодский государственный педагогический университет, 160600 Вологда, ул. С. Орлова, 6 E-mail: bakhtenko@yandex.ru **Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева,
127550 Москва, Тимирязевская ул., 49 E-mail: irina_timacad@mail.ru Поступила в редакцию 06.06.2007 г.
В вегетационном опыте исследовали влияние затопления на ростовые показатели и динамику фи-тогормонов (ауксинов, абсцизовой кислоты, цитокининов, гиббереллинов, этилена) в листьях пшеницы (Triticum aestivum L.) и овса (Avena sativa L.). Торможение роста при затоплении у обеих культур было связано с накоплением абсцизовой кислоты и этилена, а репарационные процессы - с возрастанием уровня ауксинов, цитокининов и гиббереллинов. Разница в ответе гормональной системы пшеницы и овса на затопление, в частности, степень и сроки накопления абсцизовой и ин-долилуксусной кислот, различия в динамике содержания цитокининов и гиббереллинов вызывали разные физиологические реакции этих культур, что и определяло уровень их устойчивости. Сделано заключение, что регуляция роста у злаковых при затоплении, а также динамика гормонального баланса связаны со стратегией онтогенетической адаптации растений.
Рост и развитие растений во многом определяются их влагообеспеченностью. Повышение или уменьшение содержания воды в почве нарушает нормальное функционирование растительного организма, что приводит к снижению продуктивности культурных растений. Резкие колебания погодных условий, приводящие к возникновению засух, постоянному или временному переувлажнению почвы, в последнее время характерны для многих регионов России и, прежде всего, Нечерноземья. Климатическая неустойчивость региона делает актуальной задачу изучения механизма действия водного стресса и адаптационных реакций растений к нему, существенную роль в которых играет гормональная система (Пустовойто-ва, 1978; Якушкина 1985). Общностью действия недостатка и избытка влаги в почве на растения является то, что они вызывают водный дефицит. В предшествующей работе нами был исследован гормональный баланс пшеницы и овса в условиях засухи (Бахтенко и др., 2001). Эти исследования позволили обсудить роль гормонов в регуляции роста при дефиците влаги в связи с различной устойчивостью к ней данных культур. Вместе с тем экспериментальных данных по действию избыточного увлажнения на растения недостаточно. Подобные исследования, как правило, проводили в условиях аноксии (Емельянов, Чиркова, 1996), что не дает представления об изменениях гормональной системы, происходящих в природ-
ной обстановке при переувлажнении. Данные о содержании комплекса фитогормонов, а также о взаимосвязи между уровнем гормонов и устойчивостью к переувлажнению немногочисленны и противоречивы. Целью данной работы было исследование динамики содержания фитогормонов (ауксинов, абсцизовой кислоты, цитокининов, гиббереллинов, этилена) при затоплении и последующей нормализации влажности почвы у злаковых культур, отличающихся по устойчивости.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования являлись растения пшеницы сорта Руссо (Triticum aestivum L.) и овса сорта Фукс (Avena sativa L.). Выбор культур был обусловлен их различной устойчивостью к затоплению (овес более устойчив). Вегетационные опыты в почвенной культуре проводили на агро-биостанции Вологодского государственного педагогического университета, определение фитогормонов - в лаборатории регуляторов роста и развития растений МСХА им. К.А. Тимирязева. Влажность почвы в сосудах с контрольными растениями поддерживали на уровне 70% полной влагоемкости почвы (ПВ) путем полива с контролем массы вегетационных сосудов. Затопление создавали на 10-е сут опыта доведением влажности почвы до 120% ПВ. Продолжительность затопления - 7 сут, а в отдельных сосудах до 17 сут.
Период нормализации влагообеспеченности (репарация) после затопления продолжался 7 сут, в течение которых влажность почвы постепенно снижалась до уровня контроля. Ростовые показатели характеризовали изменением высоты, сырой и сухой массы растений.
Анализ фитогормонов проводили комплексным методом из одной навески растительного материала. Пробы отбирали в одно и то же время утром и фиксировали охлажденным 80%-ным метанолом. Определение гормонов: абсцизовой кислоты (АБК), индолилуксусной кислоты (ИУК), цитокининов (зеатин + зеатинрибозид -3 + ЗР) проводили иммуноферментным методом (Кудоярова и др., 1990) с использованием сывороток фирмы "Уралинвест" (Уфа) на полистироловых планшетах (Linbro, США). Оптическую плотность раствора измеряли на автоматическом сканере Behring 311 (ФРГ) при длине волны 492 нм. В качестве стандарта использовали метилированные АБК, ИУК, 3 и ЗР (Serva, США). Иммуноанализ проводили в 3-кратной биологической и 3-4-кратной химической повторностях. Определение биологической активности гиббе-реллинов проводили по методу Франкланда (Frankland, Wareing, 1960) с использованием биотестов, интенсивность выделения этилена - методом газожидкостной хроматографии (Крейц-берг и др., 1983).
Результаты обработаны статистически. Для анализа данных использовали программу Microsoft Excel. Достоверность оценивали с помощью критерия Стьюдента, считая достоверными различия на уровне доверительной вероятности выше 0.95.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
На рис. 1 приведены данные по содержанию свободных форм фитогормонов при затоплении и последующей нормализации влажности почвы. Одной из характерных реакций растений на стресс-факторы является повышение уровня АБК. Однако полученные результаты показывают, что это не первичный ответ. Через 2 ч после начала затопления содержание гормона в побегах снижалось у обеих культур. В последующие сутки наблюдалось увеличение АБК в побегах растений опытных вариантов. После достижения максимума уровень АБК снижался, несмотря на продолжающееся затопление. При нормализации влажности почвы содержание АБК уменьшалось как у пшеницы, так и у овса (рис. 2).
Несмотря на очевидное сходство, в реакции культур на затопление имелись и различия. Для овса было характерно более позднее и более значительное накопление АБК по сравнению с пшеницей. Так, максимальное содержание АБК на-
блюдали у овса на 2-е сут затопления, при этом количество гормона увеличивалось в 3.6 раз. У пшеницы возрастание АБК (в 2.9 раз выше контроля) наблюдали уже через 24 ч после начала затопления. У овса раньше происходило снижение уровня гормона. Кроме того, в условиях длительного затопления содержание АБК у овса возрастало по сравнению с контролем, у пшеницы - снижалось.
Литературные сведения о связи между накоплением АБК и устойчивостью весьма различны (Генкель и др., 1982; Чумаковский, 1986; Коса-ковская, Майдебура, 1990; Борзенкова и др., 1995). Полученные нами результаты позволяют предположить, что противоречивость данных связана c отсутствием данных по динамике показателей. Это приводит к неоднозначности трактовки данных и затрудняет возможность сопоставления результатов исследований.
Динамика цитокининов (3 + ЗР) при затоплении была похожа на динамику содержания АБК. Через 2 ч после затопления содержание 3 + ЗР в листьях пшеницы и овса снижалось, затем возрастало и через 24 ч превышало показатель контроля (рис. 1). Далее уровень 3 + ЗР у пшеницы падал, а у овса возрастал. При продолжительном затоплении цитокинины снижались у обеих культур. После прекращения действия затопления содержание 3 + ЗР возрастало (рис. 2). Сравнение реакции на затопление показало, что в течение первых суток цитокинины более значительно снижались у пшеницы по сравнению с овсом, а повышенный уровень 3 + ЗР более длительное время сохранялся у овса. Так, у этой культуры снижение 3 + ЗР наблюдалось на 7-е сут, тогда как у пшеницы уже на 4-е сут затопления. При продолжительном затоплении падение уровня цитокининов в большей степени происходило у пшеницы.
Проведенные исследования дали возможность рассмотреть и динамику ауксинов при затоплении. Через 2 ч после затопления происходило возрастание ИУК как в листьях пшеницы, так и овса, затем уровень гормона снижался (рис. 1). Однако реакции на затопление у пшеницы и овса существенно различались. Для овса характерно большее возрастание уровня ИУК через 2 ч после начала затопления. Кроме того, если у пшеницы в дальнейшем происходило постепенное снижение содержания ИУК, то у овса наблюдали возрастание гормона на 6-е и 13-е сут затопления. В период репарации содержание ИУК увеличивалось у обеих культур (рис. 2).
Различия между культурами в реакции на затопление особенно заметны при анализе соотношений фитогормонов (ИУК + 3 + ЗР) : АБК (табл. 1). У пшеницы этот количественный показатель остается сниженным относительно
Сутки
Рис. 1. Содержание фитогормонов в листьях при затоплении: а - овес, б - пшеница. По оси абсцисс - продолжительность затопления, сут. По оси ординат - средние арифметические значения содержания фитогормонов (нг/г сырой массы): I - АБК, II - цитокининов (3 + ЗР); III - ИУК (для рис. 1, 2); 1 - контроль, 2 - затопление.
контроля на протяжении всего периода затопления, у овса его уменьшение по сравнению с контролем на 5-7-е сут сменяется возрастанием.
При длительном затоплении соотношение снижалось у обеих культур. После прекращения действия затопления этот показатель возрастал,
45 40
о JJ
о
л
3 30
«
&25
JH 20 h м
, 15 W 15 Р < 10
5
0
900
800
(а) I
2
II
у 700
2 600
о
3 500
нЧ
о
15 400 я
& 300
со
^ 200
100
0 140
120
В
I 100
«
о &
3
III
2 \
Q 80
л о
£ 60
1—1 м
£ 40 S
20
600 500 400 300 200 100
0 600
500
400
300
200
100
0 1200
1000
800
600
400
200
(б) I
VY // \
V
\\
1 1 1 1 1
II
- /д\
\
г К
' \
/ \ 2
г ш V -
VI ' I \
/ \\ ' /Г^^ т \
: / * 1
Г : ■ \ х \ \
\4
I 1 1 1
2 3 6 III
8 10
10
8 10
Сутки
Рис. 2. Содержание фитогормонов в листьях при репарации: а - овес, б - пшениц
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.