АГРОХИМИЯ, 2007, № 7, с. 41-48
Агроэкология
УДК 632.122.1:633.11:633.16
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ (HORDEUM VULGARIS) И ПШЕНИЦЫ (TRITICUM DURUM) НА КРАТКОВРЕМЕННОЕ И ДЛИТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ НАТРИЙ-ХЛОРИДНОГО ЗАСОЛЕНИЯ*
© 2007 г. Д. С. Веселов, Г. В. Шарипова, Г. Р. Кудоярова
Институт биологии Уфимского научного центра РАН 450054 Уфа, просп. Октября 69, Россия E-mail: veselov@anrb.ru Поступила в редакцию 22.09.2006 г.
Изучали влияние натрий-хлоридного засоления на растения ячменя и пшеницы. Кратковременная экспозиция на 100 мМ NaCl подавляла рост растений, а длительное выдерживание на растворе хлорида натрия уменьшало прирост биомассы и содержание хлорофилла. Степень негативного воздействия на эти жизненно важные показатели была выше в случае пшеницы. Это различие между растениями объясняется наличием у ячменя специфического механизма, позволяющего ему частично нивелировать отрицательное действие засоления.
ВВЕДЕНИЕ
Засоление остается одной из старейших и наиболее серьезных проблем для сельского хозяйства во всем мире. К настоящему моменту засолению подвержено около 7% всей поверхности суши, а это порядка 930 миллионов га [1]. Виды засоления разделяются по названию ионов, его вызывающих: карбонатное, сульфатное, хлорид-ное, смешанное. Одним из самых опасных для растений видов засоления считается натрий-хло-ридное [1]. В результате негативного действия засоления на растения снижается уровень фотосинтеза, замедляется рост листьев, ускоряется их старение, что в итоге приводит к значительному снижению урожайности растений. Среди возделываемых растений нет галофитов и большинство важнейших сельскохозяйственных культур чувствительны к действию засоления [2]. Однако среди них выделяются виды и сорта, обладающие относительной устойчивостью к неблагоприятному воздействию токсичных ионов. Представляется очень важным при посадке сельскохозяйственных культур в областях с повышенной засоленностью почв использовать более устойчивые к засолению виды и сорта. Существуют разные пути отбора устойчивых к засолению растений:
1) селекция более устойчивых видов и сортов [3];
2) использование мутагенов для отбора мутаций, позволяющих повысить устойчивость [4]; 3) внедрение в растительный геном с помощью методов генной инженерии генов, увеличивающих способ-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант < 06-04-49276).
ность клеток выдерживать вредное действие токсичных ионов [5]. Эффективность любого из этих подходов зависит от надежности метода оценки со-леустойчивости растений. К сожалению, в настоящее время не существует быстрого метода для диагностики растений на солеустойчивость. Как правило, растения должны пройти почти полный цикл вегетации для получения каких-либо диагностических результатов. Все эти трудности еще связаны с тем, что на данный момент нет четкого понимания механизма действия засоления на растения [6].
До сих пор нет ясности в вопросе, когда можно обнаружить видимые различия в реакции чувствительных и устойчивых к засолению видов. Одни считают, что такие различия можно уловить только через месяц культивирования растений в условиях повышенной засоленности, а ответ растений на засоление двухфазный: в первое время растения реагируют только на снижение доступности воды из-за уменьшения водного потенциала почвы, а уже много позднее происходит ингибирование роста за счет токсического действия ионов [7]. Другие считают, что это различие становится заметным гораздо раньше и первичный ответ растений на засоление складывается из трех составляющих: 1) уменьшение тургорного давления в растущих тканях; 2) снижение уровня фотосинтеза; 3) прямое действие токсичных ионов на клетки [8]. Понимание этого вопроса является ключевым для ранней диагностики растений на солеустойчивость.
Таким образом, цель нашей работы состояла в том, чтобы найти диагностический признак, позволяющий отбирать более устойчивые к засолению растения на основании сравнения действия
кратковременного (часы) и длительного (неделя) засоления на более чувствительные (пшеница) и более устойчивые (ячмень) виды.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на растениях ячменя (Hordeum vulgare, сорта Golf), яровой твердой пшеницы (Triticum durum L., сорта Безенчукская 139) в лабораторных условиях на водной культуре. Семена ячменя и пшеницы проращивали в темноте в течение 2-3 суток на дистиллированной воде с добавлением 10-5 M CaCl2, при температуре 24°C. Затем проростки пересаживали на 10%-ную среду Хогланда-Арнона-I и выращивали при освещенности 18000 лк и 14-часовой продолжительности светового дня. В течение длительных экспериментов среда 10%-ная Хоглан-да-Арнона была заменена на 100%-ную.
Реакция растений на засоление будет зависеть от трех условий: насколько сильное воздействие было оказано; какие органы были подвергнуты воздействию; насколько длительным оно было. Для проведения опытов нами были выбраны растения ячменя и пшеницы, поскольку оба вида являются важными зерновыми культурами, которые, судя по данным литературы, могут различаться по солеустойчивости [7]. Концентрация хлорида натрия 100 мМ была определена как, с одной стороны, не губительная для растений, а, с другой стороны, - оказывающая серьезное влияние на ростовые показатели растений. В естественных условиях, где почвенный поглощающий комплекс выступает в роли ионообменника, забирающего избыток солей натрия, концентрация соли в почвенном растворе возделываемых полей не должна быть выше этих значений. При обсуждении результатов было решено разделить их на две группы: 1) кратковременное действие засоления (часы); 2) более длительное (сутки).
Рост растений регистрировали с помощью датчика роста на основе линейного дифференциального трансформатора с подвижным сердечником ДЛТ-2. Сердечник трансформатора массой 1 г подвешивали на одном конце коромысла, к другому концу которого прикрепляли нить, соединяющую его при помощи миниатюрного деревянного зажима с верхушкой листа. По мере роста растения сердечник трансформатора опускается глубже, что вызывает изменение взаимной индукции между обмотками. Фазочувствительная электронная схема преобразует это изменение в увеличение амплитуды электрического сигнала постоянного тока, который регистрируют на самопишущем потенциометре (например, типа КСП-4).
Устьичную проводимость оценивали по формуле: с = 1/г, где с - устьичная проводимость (см/сек), г - сопротивление диффузии водяного пара листом
(сек/см). Для измерения устьичного сопротивления был использован порометр (МК Delta-T), в котором регистрируется продолжительность времени повышения относительной влажности воздуха в пределах листовой камеры в фиксированном интервале значений. Устьичное сопротивление (г) может быть найдено путем сравнения этого времени с подобными временами, полученными при использовании калибровочной пластины, которая содержит набор известных диффузионных сопротивлений. Для перевода единиц измерения устьичной проводимости из см/сек в ммоль м-2 с-1 были использованы соответствующие формулы и коэффициенты [10].
Для определения содержания абсцизовой кислоты (АБК) растительный материал гомогенизировали и экстрагировали 80%-ным этанолом. Спиртовой экстракт отделяли центрифугированием и упаривали до водного остатка с помощью ротационного испарителя. Экстракцию АБК из аликвоты водного остатка проводили по модифицированной схеме с уменьшением объема [11]. Водный остаток подкисляли до рН 2-3 1 н. раствором соляной кислоты, затем дважды проводили экстракцию диэтиловым эфиром в соотношении 1:5 (органическая фаза : водная фаза). Из объединенной органической фазы АБК реэкстрагирова-ли 1%-ным раствором гидрокарбоната натрия, взятым в соотношении 1:3 (водная фаза : органическая фаза). Органическую фазу отделяли и отбрасывали, а из водной, после подкисления до рН 2-3, вновь дважды экстрагировали фитогормон диэтиловым эфиром и метилировали диазомета-ном [12]. Содержание гормона определяли с помощью иммуноферментного анализа по модифицированной методике [13]. Иммуноферментный анализ проводили в лунках полистиролового планшета ("Castaг", США). На первом этапе конъ-югат гормона с белком сорбировали на твердой фазе (полистирол) и выдерживали в течение 1.5 ч при 37°С, после чего проводили 3-кратную промывку физиологическим раствором, содержащим 0.05%-ный Tween-20 (ФТ) (рН 6.8-7.0). В лунки вносили антисыворотку к фитогормону вместе с раствором стандарта фитогормона или растительным экстрактом и инкубировали при 37°С в течение 1 ч, затем промывали лунки раствором ФТ. Для определения количества сыворотки, прореагировавшей с сорбированными в лунках белковыми конъюгата-ми гормонов, использовали препарат антикроличьих бараньих антител, меченных пероксидазой. Антитела получали путем иммунизации животных конъюгатами гормонов с белком. Конъюгацию гормона с белком осуществляли через карбоксильную группу молекул АБК.
Для измерения растяжимости листа дополнительный груз массой 2 г подвешивали к коромыслу датчика роста со стороны сердечника. Коэффициент растяжения (т) рассчитывали по формуле [13]:
Рис. 1. Влияние засоления на скорость изменения длины листа растений пшеницы (а) и ячменя (б). Стрелкой указано время добавления №С1 в питательную среду до конечной концентрации 100 мМ.
т = (х1 - х0)/( г Ас) (сек 1 Па),
где - х0 (м/сек) - скорость роста без груза, х1 (м/сек) - стабильная скорость роста после добавления груза, ^ г (м) - длина зоны растяжения листа, Ас - изменение тянущего усилия, рассчитанное по формуле
Ас = 9.8Р/106пг2 (Па),
где Р - вес груза (н), а г - радиус основания листа (м). В предварительных опытах с нанесением туши на равном расстоянии вдоль листа было установлено, что зона растяжения первого листа располагается внутри колеоптиля и совпадает с ним по размерам, что облегчило измерение ее длины.
Осмоляльность клеточного сока растущей зоны листа определяли по температуре замерзания с помощью криоскопа-осмометра ("Сат1аЬ", Великобритания).
Содержание ионов натрия в растущей зоне побегов пшеницы и ячменя при действии засоления определяли с помощью атомно-абс
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.