АГРОХИМИЯ, 2015, № 9, с. 54-60
Агроэкология
УДК 57.042:581.1:631.81.095.337:633.16"321"
ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ СТРЕССОВ НА РАСТЕНИЯ ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ ПРИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕМЯН СЕЛЕНОМ И КРЕМНИЕМ
© 2015 г. Л.В. Осипова, Н.Т. Ниловская, Т.Л. Курносова, И.А. Быковская
Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова 127550 Москва, ул. Прянишникова, 31а, Россия E-mail: legos4@yandex.ru
Поступила в редакцию 21.04.2015 г.
Установлено повышение адаптивного потенциала растений ярового ячменя при предпосевной обработке семян (ПОС) селеном и кремнием, стимулировавших антиоксидантную систему растений при действии засухи, засоления, тяжелого металла кадмия и индуктора окислительного стресса диквата.
Ключевые слова: абиотические стрессы, яровой ячмень, предпосевная обработка семян, селен, кремний.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из задач сельскохозяйственной науки является повышение устойчивости зерновых культур к действию абиотических стрессов. Усиливающаяся в последние годы климатическая нестабильность, возрастание количества погодных аномалий приводят к нарушениям метаболизма растений и снижению их продуктивности [1-3]. Изучение реакций растений на периодически возникающие в вегетационный период стрессовые ситуации необходимо для разработки способов, снижающих их негативное воздействие. Анализ современного состояния проблем устойчивости и реализации адаптивного потенциала растений свидетельствует о наличии общего механизма противодействия различным стрессорам, функционирование которого снижает энергетические затраты на формирование специализированных механизмов адаптации. Одними из ранних эффектов стрессового воздействия на растения являются избыточное накопление активных форм кислорода (АФК) и развитие окислительного стресса [4].
Одинаковая реакция растений на разные стресс-факторы обнаружена при изучении действия почвенной засухи [5-9], высоких температур [10-13], засоления [14-16]. Первичным неспецифическим ответом растений на повреждающее действие тяжелых металлов (ТМ), низких температур,
УФ-радиации, гербицидов и затопления также является образование АФК [17-22].
Развитие общего механизма при воздействии различных стрессоров позволило предположить, что существует единый способ снижения их негативного влияния. Селен и кремний являются элементами антиоксидантной системы растений [23-29]. Это стало основанием для изучения их влияния на устойчивость растений ячменя к воздействию различных видов стрессоров. Для оценки устойчивости растений в полевых опытах изучали возможность замены различных стрессоров специфическим индуктором, вызывающим окислительный стресс в растениях.
Цель работы - определение влияния селена и кремния как протекторных соединений, снижающих негативное влияние стрессов, а также изучение возможности моделирования различных стрессов (засухи, засоления и действия ТМ) путем воздействия индуктором инициации окислительного стресса - дикватом.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Лабораторные, вегетационные и микрополевой опыты проводили с сортами ярового ячменя (Hordeum vulgare L.) Эльф, Омский, Московский 86, различающимися по исходной засухоустойчивости.
Селен и кремний применяли путем предпосевной обработки семян (ПОС) 0.02%-ным водным раствором селенита натрия и 0.3%-ным водным раствором силиката калия.
В 3-х лабораторных экспериментах на проростках ячменя для имитации засухи, засоления и действия ТМ определяли концентрации стрессовых растворов: сахарозы, №С1, Сё^03)2. Также для исследования антиоксидантной роли селена и кремния создавали окислительный стресс, используя дикват - десикант, вызывающий обезвоживание тканей. Исходный 20%-ный раствор - С12Н12Вг^2 при норме расхода 1.5-2 л/га, препаративная форма - 15%-ный водный раствор.
Опыты проводили в рулонной культуре [30] в стеклянных стаканах. Первые 2 сут семена проращивали на воде, затем опытные варианты переносили на растворы стрессоров. Через 5 сут во всех вариантах оценивали эффективность ПОС селеном и кремнием, изучали действие различных видов стрессоров, используя показатели, свидетельствующие о развитии окислительного стресса: определяли начальный этап формирования фотосинтетического аппарата по содержанию пигментов в период перехода с роста растений в темноте к росту на свету. Пигменты экстрагировали 100%-ным ацетоном из зеленеющего листа через 45 мин после выдерживания проростков на свету. Содержание хлорофиллов и каротинои-дов определяли спектрофотометрическим методом [31]. Измеряли линейные размеры проростков и их сухую массу для оценки распределения сухой массы по органам проростка. Интенсивность фотосинтеза определяли газометрическим методом [32]. Содержание малонового диальдегида (МДА) - продукта перекисного окисления липи-дов - в корнях проростков определяли методом, основанным на реакции с тиобарбитуровой кислотой [33]. Данные по определению пигментов и МДА представлены как средние арифметические и их стандартные ошибки.
Вегетационный и микрополевой опыты с яровым ячменем сорта Эльф проводили на дер-
ново-подзолистой среднесуглинистой почве со следующей агрохимической характеристикой: гумус - 2.3%, рНкс1 4.8, содержание Р205 - 270, К2О - 121 мг/кг. Почву известковали по полной гидролитической кислотности внесением СаО.
В вегетационном опыте в течение 2-х лет изучали влияние селена и кремния на продуктивность ярового ячменя при действии окислительного стресса, индуцированного обработкой растений дикватом и нарастающей почвенной засухой. Растения выращивали в сосудах Митчер-лиха, содержащих 5 кг абсолютно сухой почвы. Питательные элементы вносили при закладке опыта в виде чистых солей N^N0^ КН4Н2Р04, КН2Р04, создавая уровень минерального питания ^00Р100К100. В сосуде выращивали по 20 растений до полной спелости. Стрессы моделировали на VI этапе органогенеза, опрыскивая вегетирующие растения 0.1%-ным раствором диквата или прекращая полив до наступления влажности устойчивого завядания растений.
В микрополевом опыте (2013 г.) изучали действие только одного стрессора - диквата. Размер делянки - 1 м2, повторность опыта четырехкратная, расположение делянок рендомизированное. Норма высева - 4.5 млн всхожих семян/га.
Температура воздуха в период от посева до фазы выхода в трубку была выше многолетней на 3-9оС. Сумма осадков за вегетационный период составляла 297 мм, что на 36 мм превышало сред-немноголетнюю норму. Распределение осадков по периодам роста растений было неравномерным. В период от кущения до выхода в трубку количество осадков было больше, в период созревания -меньше среднемноголетней нормы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На первом этапе исследования была определена концентрация стрессовых растворов, тормозящая рост проростков ярового ячменя, но не влияющая на их всхожесть (табл. 1).
Таблица 1. Торможение роста проростков ярового ячменя под действием стрессоров, % к контролю
Орган проростка Стрессор
ШС1, мМ са(ш3)2, мкМ Дикват, мМ
100 150 300 400 500 0.05 0.01 0.1 0.2
Росток Корень 37.9 7.8 46.6 12.4 3.9 Нет торможения Нет торможения 13.9 4.4 I.4 II.5 2.1 17.0 29.0 30.6 23.0 28.9
Таблица 2. Влияние различных стресс-факторов на показатели роста проростков ячменя
Сорт Степень торможения длины ростка, % ИДК*, %
сахароза ШС1 дикват Сё(М03)2 сахароза ШС1 дикват Сё(М03)2
Эльф Московский 86 Омский 23.8 20.0 41.9 28.9 31.2 38.6 19.9 30.8 38.8 7.8 11.6 12.3 78.6 83.9 91.4 55.3 56.8 60.9 59.1 68.6 71.4 73.1 82.9 91.4
* ИДК - индекс длины корня.
Таблица 3. Действие стрессоров на распределение биомассы проростка по органам, %
Орган проростка Стрессоры
Н2О сахароза ШС1 Сё(М03)2 дикват
Росток 12.5 10.1 9.7 12.6 11.7
Корень 19.2 15.8 14.4 15.5 15.0
Зерновка 68.3 72.6 75.9 71.9 71.9
Таблица 4. Поглощение углекислоты, содержание пигментов в листьях и содержание МДА в корнях ячменя в зависимости от вида стрессора
Стрессор Хлорофилл, мкг/г сырой массы Каротинои-ды МДА, мкМ/г сырой массы Фотосинтез, мг СО2/ч
а б а : б а + б
Н2О 5.00 ± 0.04 3.10 ± 0.03 1.61 8.10 ± 0.31 1.80 ± 0.07 15.3 ± 0.8 1.26
Сахароза 1.36 ± 0.02 1.95 ± 0.02 0.69 3.31 ± 0.05 0.39 ± 0.02 26.3 ± 1.6 0
ШС1 3.75 ± 0.03 4.70 ± 0.04 0.79 8.45 ± 0.34 1.94 ± 0.02 27.9 ± 1.3 0.46
Сё(К03)2 6.27 ± 0.05 1.20 ± 0.02 5.20 7.47 ± 0.28 1.30 ± 0.02 22.3 ± 1.2 1.08
Дикват 1.06 ± 0.02 2.16 ± 0.03 0.49 3.22 ± 0.06 0.40 ± 0.01 21.6 ± 1.3 0
Для имитации засухи использовали осмотический раствор сахарозы с атмосферным давлением 3.8 атм. Проведенные исследования показали, что концентрация раствора <3% не давала достоверных различий с контролем, концентрация >4% приводила к тому, что зерновка прорастала, но рост надземной части проростка был полностью заторможен.
В выборе концентрации хлорида натрия ориентировались на литературные данные и анализировали 2 концентрации: 100 и 150 мМ. При более высоких концентрациях отмечено резкое подавление ростовых процессов, требующих интенсивного белкового синтеза, который в стрессовых условиях направлен на формирование пула антиоксидантов [34].
При выборе токсической концентрации кадмия изучали 3 концентрации. Установлено, что концентрации 300 и 400 мкМ стимулировали ростовые процессы и только при концентрации
500 мкМ Сё(К03)2 в среде культивирования происходило торможение роста.
Концентрация диквата, индуктора окислительного стресса, варьировала от 0.05 до 0.2 мМ. Выбор данного диапазона концентраций основывался на имеющихся в литературных источниках данных о концентрациях метилвиологена - аналогичного соединения, вызывающего окислительный стресс [35-37].
В результате проведенных исследований были установлены оптимальные концентрации стрессоров, достоверно снижающих интенсивность роста проростков ячменя и не оказывающих токсического действия на всхожесть семян. Для сравнительных экспериментов по оценке действия окислительного стресса, развивающегося под действием различных видов стрессоров, были выбраны следующие концентрации: сахароза - 3.8%, - 150 мМ, Са(Ш3)2 - 500 мкМ и дикват - 0.1 мМ.
Проведенная оценка реакции ярового ячменя на различные виды стрессоров показала, что испыта
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.