научная статья по теме ОБРАБОТКА ГЛИЦИНБЕТАИНОМ СНИЖАЕТ ВРЕДНОЕ ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА РАСТЕНИЯ ТАБАКА Биология

Текст научной статьи на тему «ОБРАБОТКА ГЛИЦИНБЕТАИНОМ СНИЖАЕТ ВРЕДНОЕ ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА РАСТЕНИЯ ТАБАКА»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 4, с. 534-541

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

ОБРАБОТКА ГЛИЦИНБЕТАИНОМ СНИЖАЕТ ВРЕДНОЕ ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА РАСТЕНИЯ ТАБАКА

© 2007 г. С. Л. Ма, Я. Ц. Ван, С. Л. Си, Ч. Ван, В. Ван

Колледж естественных наук и колледж защиты растений, Шаньдунский сельскохозяйственный университет,

Тайюань, Китай Поступила в редакцию 24.08.2006 г.

Мы сравнили влияние обработки 80 мМ глицинбетаином (ГБ) листьев двух сортов табака (МсоШпа шЬасит L.), различающихся по засухоустойчивости, в условиях достаточного увлажнения и недостатка воды. Засуха влияла на вес и высоту растений; подавление роста было сильнее у чувствительного к засухе сорта. Опрыскивание листьев ГБ, который адсорбировался и накапливался в листьях, стимулировало рост растений, подвергнутых засухе. Обработанные ГБ растения сохраняли воду в листьях очевидно благодаря поддержанию осмотического давления. Обработка ГБ активировала фотосинтез при засухе, главным образом, благодаря повышенной проводимости устьиц и эффективности карбоксилирования при ассимиляции С02. Обработка ГБ повышала эффективность работы ФС II (ФPSП). ГБ также активировал ферменты антиоксидантной защиты в условиях засухи. Все эти процессы приводили к увеличению веса и высоты растений. Итак, обработка листьев ГБ на стадии быстрого роста растений приводила к улучшению водного баланса растений и активации ФС II в условиях засухи.

МсоНапа ШЬасит - ферменты антиоксидантной защиты - фотосинтез - содержание ионов - активные формы кислорода - недостаток воды

ВВЕДЕНИЕ

Табак - это засухоустойчивое растение, но оно может быть довольно чувствительным к недостатку воды в период быстрого роста и растяжения листьев. Засуха подавляет рост табака, приводя к уменьшению высоты растений и площади листьев, особенно в период быстрого роста [1]. Поэтому необходимо разработать стратегию повышения засухоустойчивости растений табака.

Глицинбетаин (№, N №'-триметилглицин, ГБ) -четвертичное соединение аммония, накапливающееся в самых разных организмах, обитающих в засушливых и засоленных районах. ГБ не токсичен для клетки; он снижает осмотический потенциал внутри клеток, подвергнутых гипертоническому стрессу [2, 3]. Более того, ГБ более эффективен, чем другие совместимые осмолиты, в

Сокращения: АПО - аскорбатпероксидаза; АФК - активные формы кислорода; ГБ - глицинбетаин; КАТ - каталаза; МДА - малоновый диальдегид; ОСВ - относительное содержание воды; СОД - супероксиддисмутаза; C; - концентрация CO2 в межклетниках; Gs - устьичная проводимость; Pn -видимый фотосинтез; ФPSII - эффективный квантовый выход ФС II.

Адрес для корреспонденции: W. Wang. College of life science and College of plant protection, Key laboratory of crop biology of Shandong, Shandong agricultural university, Tai'an, Shandong, 271018, China. E-mail: wangw@sdau.edu.cn

поддержании целостности мембран, защите ферментов и функциональных комплексов (например, кислород-выделяющий комплекс ФС II и Ру-биско) [4-6]. Защитная роль ГБ при разных стрессах побудила многих исследователей к измерению его содержания в растениях. Получен ряд трансгенных растений, особенно тех, которые не накапливают ГБ в естественных условиях. К ним относится и табак, сорта которого различаются по накоплению ГБ и устойчивости к стрессам [5, 7, 8]. Однако в большинстве случаев содержание ГБ в таких растениях было много ниже, чем в естественных аккумуляторах ГБ из-за ряда факторов и, в частности, из-за низкого содержания холина, предшественника ГБ [9, 10]. Мы попытались повысить содержание ГБ в растениях табака для повышения их устойчивости к стрессу, обрабатывая растения экзогенным ГБ.

В данной работе мы обрабатывали ГБ листья двух сортов табака, различающихся по засухоустойчивости, и исследовали влияние этой обработки на рост растений. В работе обсуждаются возможные физиологические механизмы проявления защитной функции ГБ.

МЕТОДИКА

Приобретение и обработка растений табака.

Семена двух сортов табака (ШсоНапа tabacum Ь.),

засухоустойчивого сорта DHJ5210 и чувствительного к засухе сорта ZY100, были получены на кафедре изучения табака Шаньдунского сельскохозяйственного университета (Китай). Их проращивали в пластмассовых кюветах в почве, смешанной с органическими удобрениями. После появления 4-го листа проростки высаживали в горшки диаметром 15 см и высотой 20 см, заполненные 1.5 кг смеси почвы и органических удобрений. В них растения росли до достижения стадии быстрого роста.

Прежде чем создать условия засухи, листья обильно опрыскивали Твин-20 (контроль) или 80 мМ ГБ в растворе, содержавшем 0.2%-ный Твин-20. Опрыскивание проводили в течение трех дней дважды в день (в 6:00 и 18:00).

После обработки часть контрольных и экспериментальных растений подвергали засухе, ограничивая их полив. В течение 15 дней влажность почвы поддерживали на уровне 50% от ее полного насыщения. Остальные растения поливали, как обычно. Итак, анализировали 4 группы растений:

(1) контрольные растения, нормальный полив;

(2) контрольные растения, режим засухи; (3) растения, обработанные ГБ, нормальный полив и (4) растения, обработанные ГБ, режим засухи.

Оценка устойчивости к засухе. Листья одинакового яруса отделяли от растений и определяли в них содержание ГБ, используя модифицированную процедуру ВЭЖХ (Shimadzu-LC-6A, "Shimad-zu Corp.", Япония), исходно описанную Gorham с соавт. [11]. Образцы листьев растирали в 2 мл смеси метанола, хлороформа и 0.2 мМ KHCO3 (12 : 5 : 1) и споласкивали ступку дважды той же смесью. Гомогенат инкубировали при 60°C при встряхивании в течение 20 мин и центрифугировали 10 мин при 10000 g при 4°C. Осадок экстрагировали той же смесью, а затем смесью метанола и воды (1 : 1). Супернатант собирали и смешивали с 2 мл хлороформа и 4 мл дистиллированной воды. Смесь перемешивали и центрифугировали 10 мин при 10000 g при 4°C. Затем пропускали верхнюю водную фазу через колонки ион-обменных смол, Amberlite CG250 cation (1 мл) и Dowex1-X2 anion (2 мл). Колонки промывали 3 мл дистиллированной воды и 4 мл 4 мМ NH4OH. Элюат высушивали, растворяли в 2 мл метанола, фильтровали через мембранный фильтр с порами 0.25 мкм и вводили в систему для ВЭЖХ. Для хроматографии использовали колонку (4.6 х 250 мм), упакованную Hypersil SCX (10 мкм). В качестве подвижной фазы применяли 0.2 мМ NH4H2PO4 в 50%-ном метаноле. Концентрацию ГБ определяли на УФ-детекторе при 195 нм путем сравнения площади полученного пика с пиком стандартного ГБ ("Sigma", США).

Параметры газообмена (включая Pn, Ci и Gs) измеряли с помощью переносного дифференци-

ального CO2/H2O инфракрасного газоанализатора ("PP Systems", Великобритания). Воздух очищали от CO2 и смешивали его с чистой CO2 до концентрации 360 мг/л. Температуру внутри листовой камеры повышали до 28°С. Затем измеряли эффективный квантовый выход ФС II ^PSll) в листьях после адаптации к освещению 800 мкмол/(м2 с) в течение 30 мин, используя переносной FMS-2 фазо-во-модуляционный флуорометр ("Hansatech Instruments", Великобритания). ФPSП в листьях после адаптации к освещению, т.е. квантовый выход начинающихся фотохимических реакций в ФС II, тесно связанный с квантовым выходом при нециклическом транспорте электронов, определяли по Genty с соавт. [12], используя формулу ФPSП =

= Fm — FJ Fm .

Устьичную проводимость (Gs) измеряли с помощью того же самого инфракрасного газоанализатора и выражали в ммолях H2O, рассеянной с 1 м2 поверхности листа за 1 с.

Относительное содержание воды (ОСВ) подсчитывали по формуле (FW - DW)/(SFW - DW) х 100%, где FW - сырой вес, SFW - сырой вес при насыщении ткани водой и DW - сухой вес после высушивания образцов при 80°С в течение 24 ч.

Для измерения содержания суммы хлорофил-лов a + b из листьев одного яруса трех растений выбивали диски, немедленно замораживали их в жидком азоте и хранили при -70°С. Замороженные диски растирали при рассеянном свете в ступке с жидким азотом. Пигменты экстрагировали 4 мл ледяного 100%-ного метанола, и экстракт центрифугировали на холоду (4°С) при 3000 об./мин в течение 10 мин. Содержание хлорофилла измеряли на UV-160A спектрофотометре ("Shimadzu") при 665.2 и 652.4 нм и рассчитывали, как описано Lichtenthaler [13]. Пролин определяли спектрофо-тометрически с нингидрином, как описано Bates с соавт. [14]. Растворимые сахара определяли спек-трофотометрически с антроном, как описано Trevelyan с соавт. [15]. Перекисное окисление ли-пидов оценивали по содержанию его продукта -малонового диальдегида (МДА), как описано ранее [16].

Содержание ионов определяли следующим образом: образцы листьев сушили в печи при 105°С в течение 15 мин, а затем при 80°С до постоянного веса. Примерно 150 мг сухих листьев озоляли в печи при 550°С. Золу растворяли в 75%-ной HNO3 и разбавляли дистиллированной водой до 100 мл. Концентрации K+, Na+ и Cl- в растворе HNO3 определяли с помощью абсорбционного спектрофотометра Hitachi Z-8000 ("Hitachi", Япония) и пересчитывали в процентах к сухому весу.

Активности супероксиддисмутазы (СОД), ка-талазы (КАТ) и аскорбатпероксидазы (АПО) определяли, как описано Prochazkova с соавт. [16].

л

4 о

5 M Я « <о

я

р

1-4

«

5

к

се *

6

о и о О

1200 1000 800 600 400 200

2 4

1

DHJ5210 ZY100

Рис. 1. Влияние обработки ГБ и засухи на содержание ГБ в листьях табака засухоустойчивого DHJ5210 и чувствительного к засухе ZY100 сортов. 1 - контрольные листья, нормальный полив; 2 - обработка ГБ, нормальный полив; 3 - контрольные листья, засуха; 4 - обработка ГБ, засуха. Представлены средние значения из 5 повторностей и их стандартные ошибки.

Образцы листьев (1 г) растирали в ступке с 8 мл 0.05 M Na2HPO4/NaH2PO4-6yùepa (pH 7.8), содержавшего 1 M ЭДТА-№2. Гомогенаты фильтровали через 4 слоя газа и центрифугировали при 12000 g в течение 10 мин при 4°C. Супернатанты собирали и определяли в них активности ферментов антиоксидантной защиты при 4°C.

Все измерения повторяли, по крайней мере, три раза, и результаты были подвергнуты статистическому анализу, используя стандартную версию программы SAS 9.0. Достоверность различий между средними значениями оценивали с помощью тест

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.

Показать целиком