ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 6, с. 865-873
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ РОСТА И МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ПОБЕГОВ ТЫСЯЧЕЛИСТНИКА ОБЫКНОВЕННОГО
© 2013 г. С. П. Маслова, Г. Н. Табаленкова, Р. В. Малышев, Т. К. Головко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, Сыктывкар Поступила в редакцию 25.06.2012 г.
Изучали рост и метаболическую активность подземных побегов многолетнего травянистого длин-нокорневищного вида - тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.). Активный рост корневищ и формирование новых меристематических зон отмечали во второй половине вегетации после прекращения роста надземных побегов. Подземные побеги в этот период характеризовались сравнительно высокой интенсивностью дыхания (1.3 мг СО2/(г сухой массы ч)), значительным содержанием неструктурных углеводов (15% в сухой массе), повышенной активностью ИУК, цитоки-нинов и АБК. В осенний период было выявлено снижение дыхания подземных побегов (до 1.0 мг СО2/(г сухой массы ч)), накопление растворимых сахаров, увеличение соотношения ненасыщенные/насыщенные жирные кислоты, возрастание соотношений ГК/АБК и цитокинины/АБК. Зона температурного оптимума роста корневищ находилась в области низких и умеренных положительных температур (5-20°С), а температура замерзания воды в верхушке подземного побега составила около —10°С. Сделано заключение, что основным фактором вынужденного покоя корневищ являются пониженные температуры, а не накопление ингибиторов роста, и прохождение морфогенети-ческих преобразований в подземных побегах при подготовке растений к зиме обеспечивается изменениями гормонального баланса в пользу гормонов роста и сравнительно высокой дыхательной активностью в апикальных зонах корневища.
Ключевые слова: Achillea millefolium — корневище — рост — дыхание — низкомолекулярные углеводы — фи-тогормоны — липиды — адаптация
DOI: 10.7868/S0015330313060079
ВВЕДЕНИЕ
Сезонная ритмичность процессов жизнедеятельности является важнейшим адаптивным признаком, возникшим в ходе эволюции растений как приспособление к перенесению неблагоприятных периодов года. Наиболее четко это проявляется в периодичности роста. В холодном климате, с продолжительной и суровой зимой, растения осенью переходят в состояние покоя. В них осуществляются процессы закаливания, обеспечивающие формирование морозостойкости [1]. Пусковым сигналом для завершения активной вегетации и начала закаливания служит уменьшение длины дня. В процессе закаливания в клетках растений происходят существенные биохимические изменения: синтезируются новые белки [25], увеличивается содержание сахаров и свобод-
Сокращения: ВЖК - высшие ЖК, НЖК - насыщенные ЖК, ННЖК - ненасыщенные ЖК.
Адрес для корреспонденции: Маслова Светлана Петровна. 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28. Институт биологии Коми научного центра УрО РАН. Факс: 007 (8212) 24-01-63; электронная почта: maslova@ib.komisc.ru
ных аминокислот [3, 5], изменяется липидный состав [2, 3, 5, 6]. Изменения гормонального баланса в сторону накопления ингибиторов роста приводит к торможению ростовых процессов, способствует перераспределению ресурсов на поддержание клеточных структур [7]. В целом, переход в состояние покоя характеризуется сильным замедлением метаболизма и прекращением видимого роста.
Большая группа многолетних растений переносят неблагоприятные условия зимнего периода при помощи подземных побегов - корневищ, клубней, столонов, каудексов и др. Почки возобновления таких растений, располагаясь на определенной глубине в почве, избегают действия низкой отрицательной температуры и практически не испытывают потери воды зимой, что часто является причиной гибели древесных растений. Подземные побеги - корневища - обеспечивают успешное прохождение онтогенеза травянистых многолетних растений. С их помощью осуществляется вегетативное размножение, расселение,
перезимовка и ранневесеннее отрастание корневищных растений.
Показано, что в осенне-зимний период протекают важные морфогенетические и биохимические преобразования почек древесных, в ходе которых завершается формирование структур, уменьшается оводненность тканей, изменяются физические свойства мембран, меняется количественный и качественный состав липидов, накапливаются криопротекторные вещества [6]. Однако сведения о структурно-функциональных перестройках, осуществляемых в процессе морфогенеза подземных побегов, единичны. В значительной степени это связано с трудоемкостью исследований подземных побегов и сложным жизненным циклом корневищных многолетних растений. В литературе приводятся данные об изменении баланса фитогормонов в годичном цикле развития корневищ при адаптации южных форм мяты перечной к условиям средней полосы России [8, 9]. Нами выявлена сезонная динамика содержания углеводов и фитогормонов в корневищах многолетнего злака Phalaroides arundinacea [10]. Показана роль фитохрома в фотопериодической реакции утолщения (запасающей функции) корневища лотоса [11]. Белый, желтый и красный свет способствовали росту корневищ в длину, а синий, желтый и дальний красный свет - их утолщению.
Мы полагаем, что физиолого-биохимические изменения, связанные с адаптацией растений к неблагоприятным условиям зимнего периода, играют важную роль в регуляции морфогенеза корневищ и онтогенеза корневищных многолетних растений. Целью работы было изучение динамики роста и изменения основных показателей жизнедеятельности корневищ тысячелистника обыкновенного в связи с сезонной адаптацией растений к низким температурам.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве модельного растения использовали тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) — многолетнее травянистое растение, формирующее корневища с длинными четко выраженными междоузлиями, что существенно облегчает исследование подземных побегов. Тысячелистник относится к быстрорастущим видам, с высоким содержанием азота в биомассе и интенсивным дыханием [12].
Растения выращивали из корневищ в полевых условиях при площади питания 0.4 х 0.7 м2. Опыты закладывали летом 2008 г. Температуру почвы на участке с растениями определяли на глубине 5-10 см при помощи логгера LI-1400 ("Licor", США). Температура почвы варьировала в июле от 16 до 22°С, августе - от 10 до 15°С, октябре — от 2
до 5°С, ноябре - от 2 до -1°С и январе - от 0 до -3°С.
Для изучения сезонной динамики морфофи-зиологических и биохимических показателей растительные образцы (не менее 10 растений) отбирали на второй-третий год после посадки в период вегетативного роста (май), бутонизации -цветения (конец июня-июль), плодоношения (август), а также после завершения вегетационного периода в октябре, ноябре и январе. У каждого растения учитывали количество подземных побегов - корневищ и сарментов, число метамеров, измеряли длину корневищ. Сарменты отличались от корневищ наличием в апикальной части листовых примордиев [13].
Дыхание корневищ определяли в 4-6-кратной биологической повторности при 20°С по выделению СО2 с помощью инфракрасного газоанализатора Li-7000 ("Licor"). Каждая биологическая по-вторность представляла собой усредненную пробу сформировавшихся в текущем сезоне корневищ 3-5 растений. Пробы сырой массой 312 г помещали в затемненные термостатируемые камеры объемом 150 мл, через которые прокачивали атмосферный воздух. Регистрацию показаний прибора проводили через 10-15 мин после помещения пробы в камеру, когда скорость дыхания достигала стабильных значений.
Тепловыделение (q, мкВт/мг сухой массы) и дыхание (RCO2, нмоль СО2/(мг сухой массы с)) верхушечной части корневищ (1.0-1.5 см) измеряли в июле и январе с помощью микрокалориметра Биотест-2 (ИБП, Пущино) [14]. Измерения обоих показателей проводили в диапазоне температуры 5—30°С с шагом 5°С. При каждой температуре использовали по 4-7 проб свежего материала, включающих верхушки корневищ 3-5 растений.
Для оценки ростовой активности использовали термодинамическую модель, связывающую рост с дыханием и тепловыделением [14, 15]. Согласно этой модели, скорость роста (RSGAHB) характеризуется соотношением двух параметров: скорости тем-нового дыхания (Rcra), т.е. снабжения ростового процесса энергией, и скорости тепловыделения (q), т.е. потери энергии из ткани в среду, определяемыми микрокалориметрически.
Определение температуры замерзания воды в апикальной части корневищ проводили на дифференциальном калориметре DSC-60 ("Shimad-zu", Япония). Из верхушки корневищ получали сегменты длиной около 5 мм и помещали в алюминиевый контейнер объемом 5 мм3. Образцы охлаждали от 5 до -30°С со скоростью 1°С/мин. Температуру начала кристаллизации воды (начало фазового перехода вода-лед) рассчитывали с помощью программного обеспечения (TA-60WS).
Содержание и качественный состав растворимой фракции низкомолекулярных сахаров в сухих образцах из апикальной, средней и базальной части корневищ определяли методом ВЭЖХ [16] в соответствии с процедурами, описанными ранее [17].
Общие липиды извлекали из сухого материала смесью хлороформ : метанол в соотношении (1 : 5), высушивали под вакуумом и взвешивали [18]. Высшие жирные кислоты (ВЖК) метилировали. Метиловые эфиры ЖК анализировали на газовом хроматографе Кристалл 2000 М ("Хроматэк", Россия) с пламенно-ионизационным детектором в изотермическом режиме температуры термостата колонок (200° C) на кварцевой капиллярной колонке 30 м х 0. 2 мм (TR-WAX, "Thermo"). Идентификацию и количественное определение МЭЖК проводили методом хромато-масс-спек-трометрии на приборе TRACE-DSQ ("Thermo"). В качестве внутреннего стандарта использовали 2,4,5-трихлорфенол.
Уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ) оценивали в свежесобранном материале по содержанию малонового диальдегида (МДА) после реакции с 2-тиобарбитуровой кислотой [19]. Содержание МДА определяли спектрофото-метрически на приборе UV-1700 ("Shimadzu") при длине волны 532 нм.
Содержание фитогормонов определяли в корневищах текущего сезона вегетации. Пробы отбирали в июле, октябре 2009 г. и мае следующего года и фиксировали в метан
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.