^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
СТАТЬИ
581.1
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ АЛЛОЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ГИБРИДОВ ПШЕНИЦЫ
К ПОЧВЕННОЙ ЗАСУХЕ
© 2007 г. В. П. Холодова*, Т. С. Бормотова*, О. Г. Семенов**, Г. А. Дмитриева**, Вл. В. Кузнецов*' **
* Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва ** Российский университет дружбы народов, Москва Поступила в редакцию 07.12.2006 г.
Исследовали физиологические механизмы адаптации к засухе растений двух аллоцитоплазматиче-ских гибридов (АЦПГ) пшеницы (Тпйсит aestivum L.) с цитоплазмой ржи (8еса1е сегеа1е L.) и с цитоплазмой эгилопса (Aegilops ovata L.) в сравнении со стандартными районированными сортами яровой пшеницы - Комета и Приокская. В ответ на обезвоживание тканей растения АЦПГ реагировали быстрым снижением интенсивности транспирации. При этом потеря воды у гибридов была значительно меньшей, чем у растений стандартных сортов. При засухе активность пероксидазы достоверно возрастала лишь у АЦПГ пшеницы на цитоплазме ржи, тогда как у растений сорта Комета она сильно понижалась по сравнению с условиями оптимального водообеспечения. Повышение у растений сорта Комета перекисного окисления липидов (ПОЛ) в большей степени, чем у гибридов, также свидетельствовало о недостаточно полной детоксикации у данного сорта перекиси водорода в условиях стресса. При возобновлении полива растений после периода засухи лучшие репарационные возможности были обнаружены у растений АЦПГ по сравнению с растениями стандартных сортов, что проявилось в активации пероксидазы и в снижении ПОЛ, т.е. в более полной ликвидации последствий вызванного засухой окислительного стресса. Представленные данные позволили прийти к выводу, что более высокая засухоустойчивость растений АЦПГ по сравнению с растениями стандартных сортов обусловлена более эффективной антиоксидантной защитой и лучшей репарационной способностью.
ТгШсит aestivum - аллоцитоплазматические гибриды пшеницы - засуха - водный статус - окислительный стресс
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 4, с. 542-549
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Почвенная засуха, следствием которой является острая нехватка доступной растениям воды, сопровождается нарушением их метаболизма, снижением продуктивности и даже гибелью растений. Основная стратегия адаптации растений к засухе направлена на поддержание водного баланса за счет более экономного расходования воды и повышения водопоглотительной деятельности корня. Подобная стратегия реализуется с помощью целого ряда физиологических и молекулярных механизмов, таких как быстрое ингибирование ро-
Сокращения: АЦПГ - аллоцитоплазматический гибрид, АФК - активные формы кислорода, МДА - малоновый ди-альдегид, ОСВ - относительное содержание воды, ПВП -полная влагоемкость почвы, ПОЛ - перекисное окисление липидов, HCP0 05 - наименьшая существенная разница. Адрес для корреспонденции: Холодова Валентина Павловна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: v-p-kholodova@ippras.ru
ста молодых листьев или сбрасывание части листьев у закончивших рост растений и сокращение, тем самым, площади водоиспаряющей поверхности, закрывание устьиц, аккумуляция совместимых осмолитов, обеспечивающих защиту макромолекул и поддержание градиента водного потенциала между почвенным раствором и клетками корня в условиях прогрессирующего водного дефицита, что сохраняет способность корня поглощать почвенную влагу при засухе [1-3]. В ответ на прогрессирующий водный дефицит растения синтезируют стрессорные белки, выполняющие функцию молекулярных шаперонов; гидрофильные низкомолекулярные полипептиды, способствующие удержанию внутриклеточной воды; аквапорины, участвующие в трансмембранном переносе молекул воды; активируют антиок-сидантные системы, препятствующие развитию окислительного стресса, а также повышают во-допоглотительную деятельность корневой системы за счет увеличения ее всасывающей поверхности [1, 4, 5].
В основе формирования всех вышеперечисленных защитных систем лежит дифференциальная экспрессия генома, прежде всего ядерного, механизмы регуляции которого в настоящее время активно исследуются. Вместе с тем, вопрос о влиянии ядерно-цитоплазматических отношений на экспрессию стресс-регулируемых ядерных генов, вовлекаемых в процесс адаптации растений к условиям засухи, остается открытым [6]. Не изучена также роль хлоропластного и митохондри-ального геномов, а также цитоплазматических регуляторных сигналов и их воздействия на работу ядерных генов и в итоге их роли в выживании растений в экстремальных условиях.
Для исследования влияния ядерно-цитоплаз-матических отношений на реализацию адаптационного потенциала растений в стрессовых условиях особый интерес представляют аллоцито-плазматические гибриды (АЦПГ) пшеницы, которые были получены методом возвратных скрещиваний с одновременным отбором само-фертильных форм [6-8]. Так, к настоящему времени созданы АЦПГ пшеницы Тпйсит aestivum на цитоплазме некоторых других видов пшеницы, ржи и нескольких видов дикорастущего злака эгилопса [7, 9-11]. У этих форм ядерный геном функционирует в окружении необычной для него чужеродной цитоплазмы, т.е. во взаимодействии с внеядерным геномом пластид и митохондрий, в том числе и генетически далеко отстоящих видов [6, 10]. В настоящее время появляются первые фрагментарные данные, согласно которым АЦПГ могут иметь повышенную устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды [11, 12].
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы выяснить, влияет ли функционирование ядерного генома пшеницы в окружении чужеродной цитоплазмы на формирование физиологических механизмов адаптации растений к засухе. Для этого был проведен сравнительный анализ устойчивости к засухе растений двух АЦПГ пшеницы (на цитоплазме ржи и на цитоплазме эгилопса) с устойчивостью растений стандартных районированных сортов пшеницы, у которых ядерно-цито-плазматические отношения не были изменены.
МЕТОДИКА
Объектами исследования являлись АЦПГ пшеницы ТгШсит aestivum Ь. на цитоплазме ржи зерновой ^еса1е сегеа1е Ь.) и на цитоплазме эгилопса (Aegilops ovata Ь.) и растения двух стандартных сортов яровой пшеницы - Приокская и Комета.
АЦПГ пшеницы были созданы путем беккрос-сирования доноров чужеродной цитоплазмы пыльцой мягкой пшеницы с одновременным отбором самофертильных форм и выбраковкой
форм с цитоплазматической мужской стерильностью [6, 7, 9]. В результате этой работы О.Г. Семеновым были получены использованные в настоящем исследовании АЦПГ T. aestivum на цитоплазме дикорастущего злака Ae. ovata и на цитоплазме S. cereale [7].
Эксперименты проводили в вегетационном домике Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Растения выращивали в сосудах Митчерлиха (по 15-20 в каждом) в почвенной культуре с внесением минеральных удобрений в дозе N180P180K180 (мг/кг почвы). Влажность почвы в сосудах в оптимальных условиях составляла 6570% от полной влагоемкости (ПВП).
В качестве стрессорного фактора была использована почвенная засуха, которую создавали прекращением полива растений в период закладки колосков в колосе (фаза начала выхода в трубку, IV этап органогенеза [13]). Продолжительность почвенной засухи зависела от цели проводимого эксперимента и физиологического состояния растений и колебалась от 5 до 12 дней, при этом влажность почвы опускалась до 25% от ПВП. При изучении репарационного потенциала для части опытных растений после окончания засухи возобновляли полив и оценивали протекание в них физиологических процессов.
Растительный материал (вся надземная часть растения или только листья - усредненная проба) анализировали накануне засухи (исходная точка), в течение засухи и после возобновления полива. Биомассу растительного материала и содержание в нем воды определяли стандартным весовым методом. Определение относительного содержания воды (ОСВ) проводили на отрезках листьев размером 1.2-1.5 см, помещенных в закрытые чашки Петри на водопроводную воду на 6 ч до полного насыщения водой. Величину ОСВ рассчитывали как процент содержания воды в опытной растительной ткани от ее содержания в той же ткани в состоянии полного насыщения. Для оценки интенсивности транспирации использовали метод быстрого взвешивания Иванова [14]. При этом учитывали потерю воды листьями за первые 3 мин после первого взвешивания, проведенного сразу же после отделения листьев от растения.
При определении активности растворимой и ион-связанной форм пероксидазы использовали в качестве субстрата Н2О2, а в качестве донора водорода - гваякол ("Fluka", Швейцария) [15]. Оптическую плотность раствора измеряли на спектро-колориметре SPEKOL 11 (Германия) при 470 нм. Активность фермента выражали в Е/(мин г свежей массы).
Интенсивность перекисного окисления липи-дов (ПОЛ) оценивали по основному продукту реакции - малоновому диальдегиду (МДА), используя метод Heath и Packer [16]. Содержание МДА
Таблица 1. Биомасса растений стандартного сорта и АЦПГ пшеницы в условиях оптимального водообеспечения (контроль) и при засухе
Вариант Контроль Засуха
сухой массы/растение % от контроля
5 дней 12 дней 5 дней 12 дней 5 дней 12 дней
Сорт Комета 0.423 0.592 0.375 0.347 88.7 58.6
АЦПГ Т. аезйуыт с цитоплазмой S. сегеа1е 0.393 0.544 0.369 0.341 93.8 62.7
АЦПГ Т. аезйуыт с цитоплазмой Ае. ovata 0.463 0.661 0.424 0.439 91.6 66.4
НСР0.05 0.035 0.046 0.030 0.039
Примечание. В опытах анализировали надземные органы растений. 5 и 12 дней - продолжительность эксперимента.
Таблица 2. Оводненность листьев (% от свежей массы) растений стандартного сорта и АЦПГ пшеницы в условиях оптимального водообеспечения (контроль) и при засухе
Вариант Контроль Засуха
0 5 дней 12 дней 5 дней 12 дней
Сорт Комета 84.50 81.12 79.01 63.26 56.51
АЦПГ Т. aestivыm с цитоплазмой S. сегеа1е 84.53 82.91 79.93 66.50 59.86
АЦПГ Т. aestivыm с цитоплазмой Ае. ovata 84.80 81.32 78.80 68.63 60.81
НСР0.05 0.51 0.96 1.04 0.96 1.04
Примечание. В опытах анализировали усредненные пробы листьев.
определяли спектрофотометрически на СФ-11 ("ЛОМО",
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.