научная статья по теме ВКЛАД НЕОРГАНИЧЕСКИХ ИОНОВ, РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И МНОГОАТОМНЫХ СПИРТОВ В ПОДДЕРЖАНИИ ВОДНОГО ГОМЕОСТАЗА У ДВУХ ВИДОВ ПОЛЫНИ В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ВКЛАД НЕОРГАНИЧЕСКИХ ИОНОВ, РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И МНОГОАТОМНЫХ СПИРТОВ В ПОДДЕРЖАНИИ ВОДНОГО ГОМЕОСТАЗА У ДВУХ ВИДОВ ПОЛЫНИ В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2009, том 56, № 2, с. 220-231

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

ВКЛАД НЕОРГАНИЧЕСКИХ ИОНОВ, РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И МНОГОАТОМНЫХ СПИРТОВ В ПОДДЕРЖАНИИ ВОДНОГО ГОМЕОСТАЗА У ДВУХ ВИДОВ ПОЛЫНИ В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ

© 2009 г. Ю. В. Орлова*, Н. А. Мясоедов**, Е. Б. Кириченко*, Ю. В. Балнокин**

*Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук, Москва **Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва

Поступила в редакцию 11.02.2008 г.

У полыней Artemisia lerchiana Web. двух морфологических форм (f. erecta и f. nutans) и A. pauciflora Web., морфологической формы erecta, выращенных в песчаной культуре при разных концентрациях NaCl в среде, определяли содержание в органах ионов Na+, K+ и Cl-, моно-, ди- и трисахаридов, многоатомных спиртов маннита и глицерина, воды, а также биомассу органов. Все исследованные растения обладали высокой устойчивостью к NaCl, близкой к устойчивости галофитов, а также способностью поддерживать высокий уровень оводненности органов при сниженном в условиях засоления росте. Основной вклад в осмотическое давление в клетках органов у полыней создавали ионы Na+, K+, Cl-, моно-, ди- и трисахариды, а также маннит и глицерин. Высокое содержание Na+ и Cl- в органах полыней наблюдали даже в отсутствие засоления, что предполагает наличие у них способности поглощать эти ионы из разбавленных растворов NaCl и накапливать их в клетках. При засолении среды содержание Na+ и Cl- в корнях и листьях еще более возрастало. Сделано заключение, что способность полыней поглощать и накапливать неорганические ионы обеспечивает поддержание высокого осмотического давления и, следовательно, низкого водного потенциала в клетках в условиях засухи и засоления. При засолении снижалось содержание моносахаридов, что сопровождалось увеличением содержания трисахарида рафинозы. Предполагается, что растворимые углеводы и многоатомные спирты у полыней наряду с осморегуляторной выполняют еще и протекторную функцию. Более высокое осмотическое давление в клетках корней, чем в клетках листьев у всех исследованных нами растений поддерживалось в основном благодаря градиентному распределению K+ и Cl- в этих органах. Качественных различий в способах регулирования водного обмена у двух видов Artemisia, а также у двух морфологических форм A. lerchiana выявить не удалось. Показано, что различия в морфологии двух форм A. lerchiana не связаны с различиями в осмотическом давлении их клеток.

Ключевые слова: Artemisia - Na+ - K+ - Cl - сахара - полиспирты - осмотическое давление - соле-устойчивость - засухоустойчивость

ВВЕДЕНИЕ

Полыни Artemisia lerchiana и A. pauciflora обитают в зоне аридного климата и часто произрастают на почвах с высоким содержанием ионов

Na+, Cl- и SO4 [1]. Недостаток влаги и засоление снижают водный потенциал (Т) почвы. Многие виды полыней в процессе эволюции сформировали механизмы, позволяющие им поглощать воду из почвы с низким водным потенциалом и транспортировать ее в надземные органы. Как известно, основной "стратегией" поддержания водного гомеостаза у растений, обитающих в этих услови-

Адрес для корреспонденции: Балнокин Юрий Владимирович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: balnokin@mail.ru

ях, является понижение водного потенциала клеток до уровня, более низкого, чем водный потенциал почвы [2-6]. Клетки снижают Т, повышая осмотическое давление (п), которое прямо пропорционально суммарной концентрации находящихся в клетке веществ [7, с. 57-60]. Считается, что повышение осмотического давления в цитоплазме осуществляется преимущественно за счет биосинтеза осмолитов - низкомолекулярных нетоксичных органических соединений [8], тогда как в вакуолях - в основном благодаря накоплению неорганических ионов [5, 6, 9].

На уровне целого растения "стратегия" водного гомеостатирования в условиях недостатка влаги и почвенного засоления состоит в поддержании градиента водного потенциала (АТ) в системе почва-корень-побег. Водный потенциал корня поддерживается на более низком уровне, чем водный потенциал почвы, а водный потенциал листа -

на более низком уровне, чем водный потенциал корня. Только при наличии такого градиента возможен водный ток в растении в восходящем направлении [9-11].

A. lerchiana и A. pauciflora часто встречаются в растительных сообществах вместе с соленакап-ливающими галофитами родов Salicornia и Suaeda [1]. Последние поддерживают градиент водного потенциала между корневой системой и надземными органами, накапливая Na+ и Cl- в вакуолях клеток листьев до более высоких концентраций, чем в вакуолях клеток корней [11-13]. Способ, посредством которого поддерживается AT у разных видов и форм рода Artemisia, до настоящего времени остается неизвестным. Вместе с тем, существует представление, что устойчивость полыней к водному дефициту связана с образованием глубоко уходящей в грунт корневой системы, позволяющей поглощать глубоко залегающие грунтовые воды [14, с. 521, 522]. Предварительно проведенные нами эксперименты показали, однако, что A. lerchiana и A. pauciflora могут расти в почвенной культуре при высоких концентрациях NaCl в питательном растворе (вплоть до 1 М NaCl), т.е. в условиях, исключающих возможность поглощения воды из разбавленных растворов, какими являются грунтовые воды.

В настоящей работе исследовали вовлечение ионов Na+, K+ и Cl-, моно-, ди- и трисахаридов, а также многоатомных спиртов маннита и глицерина в поддержание водного гомеостаза у A. lerchiana двух морфологических форм (f. erecta и f. nutans) и у A. pauciflora (f. erecta). Выявленное ранее наличие сахаров в относительно высоких концентрациях в листьях A. lerchiana и A. pauciflora [1] позволяет предположить их важную роль в регуляции осмотического давления в клетках растений полыни.

Многие виды рода Artemisia в природных условиях представлены двумя формами: f. erecta (прямостоячая) и f. nutans (раскидистая). Один из вопросов, который требует прояснения, заключается в возможной связи различий в морфологии этих двух форм с различиями в осмотическом и, следовательно, тургорном давлении их клеток.

МЕТОДИКА

В качестве объектов исследования использовали полыни: Artemisia lerchiana Web. двух морфологических форм - erecta и nutans и A. pauciflora Web. морфологической формы erecta.

Семена собирали в местах обитания этих растений в Палласовском районе Волгоградской обл. Растения выращивали в оранжерее Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева в Москве с марта по июнь при естественном освещении в 3-литровых пластиковых сосудах в песчаной культуре.

Семена проращивали во влажном песке. С момента, когда гипокотили достигали длины 5-6 см, проростки пересаживали в вегетационные сосуды, которые содержали песок, политый до полной влагоемкости питательной средой Robinson и Downton [15]. Через 1 нед. в вегетационные сосуды начинали вносить NaCl. Чтобы смягчить действие на растения осмотического шока, NaCl вносили дробно в течение 3-10 суток в зависимости от конечной концентрации NaCl в питательном растворе. Концентрацию соли в среде повышали ежедневно с шагом сначала 50, а затем 100 мМ. Конечные концентрации NaCl в питательном растворе составляли 3 (контроль), 250, 500, 800 или 1000 мМ. На протяжении всего вегетационного периода питательные растворы, содержащие NaCl, в сосудах с песком еженедельно заменяли такими же свежими растворами. Замену производили, пропуская через песок двукратный объем свежего раствора, избыток которого выходил через дренажное отверстие в сосуде. Для анализов использовали растения 80-дневного возраста.

Для определения содержания неорганических ионов, углеводов и полиспиртов растительный материал предварительно высушивали при 65°С и измельчали до порошкообразного состояния. Из полученного порошка ионы Na+, K+ и Cl- извлекали водной экстракцией при 100°С; экстракт фильтровали. Концентрации Na+ и K+ в экстрактах определяли с помощью атомного абсорбционного спектрофотометра Hitaсhi 207 (Япония). Концентрацию Cl- определяли титрованием экстрактов раствором Hg(NO3)2 с индикаторами а-нитрозо^-нафтолом и дифенилкарбазоном по методике [16], используя полуавтоматическую бюретку Top Buret H ("Eppendorf', Германия). Содержание ионов рассчитывали на сухой вес органов, а также на единицу объема содержащейся в органах воды.

Содержание моно-, ди-, и трисахаридов, а также полиспиртов - глицерина и маннита, в органах растений определяли методом ионообменной хроматографии. Для этого в соответствии с методикой, описанной в работе [17], указанные вещества экстрагировали из высушенного при 65°С и измельченного растительного материала. Экстракцию проводили в 50% изопропиловом спирте при 70°С в течение 1 ч. Экстракт вместе с остатком переносили в диализные мешки диаметром 18 мм #44145 фирмы "Servapol" (Германия) и осуществляли диализ относительно дистиллированной воды при комнатной температуре в течение 24 ч по методике, описанной в работе [18]. Диализат упаривали в два этапа, сначала при 80°С, а затем при комнатной температуре в вакуум-эксикаторе над КОН при разряжении 0.1 мм рт. ст. Сухой остаток растворяли в дистиллированной воде и хранили при -18°С до осуществления хромато-графического анализа. Возможные потери угле-

водов и полиспиртов при диализе и удалении жидкой фазы контролировали с помощью технологического стандарта, представляющего собой дополнительный образец с известным составом смеси анализируемых веществ. В качестве базового жидкостного хроматографа использовали анализатор Hitachi 835 (Япония) с встроенной дополнительной хроматографической колонкой диаметром 8 мм и длиной 650 мм и рефрактометрическим детектором RIDK-101 (Чехия). Разделение смеси сахаров осуществляли на катионооб-меннике OSTION-082 (Чехия) в Са2+-цикле при температуре 70°С и скорости протока элюирую-щего раствора 56 мл/ч. Для элюции использовали деионизованную воду. В качестве стандарта использовали раствор смеси углеводов и полиспиртов, приготовленной из сухих, аналитически чистых реактивов фирмы "

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