ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 5, с. 732-736
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННЫХ ДОЗ УФ-Б РАДИАЦИИ НА СОДЕРЖАНИЕ ПОЛИАМИНОВ И ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАН ЛИСТЬЕВ ОГУРЦА
© 2004 г. Л. Ж. Ан*' **, К. Лиу*, М. К. Цанг*' **, Т. Чен*' **, Я. X. Лиу*, X. Я. Фенг*' **, С. Дж. Xy*' **, В. Я. Кянг*, К. Л. Ванг*
* Школа науки о жизни, Университет Ланьчжоу, Ланьчжоу, Китай ** Институт исследования природы холодных и засушливых районов и инженерии, Китайская академия наук, Ланьчжоу, Китай Поступила в редакцию 02.10.2003 г.
Растения огурца (Cucumis sativus L., сорт Jingchun 3) выращивали в оранжерее при освещенности 400-600 мкмол/(м2 с) и температуре 30/15°С (день/ночь). Проростки в фазе трех листьев дополнительно подвергали ультрафиолетовому (УФ-Б) облучению двух уровней: 8.82 кДж/м2 (Т1) и 12.6 кДж/м2 (Т2) по 7 ч ежедневно в течение 25 сут. Исследовали рост растений, проницаемость мембран и содержание полиаминов в листьях. УФ-Б облучение снижало площадь листьев, их сухой вес и высоту растений, и эти эффекты зависели от интенсивности облучения. Облучение приводило к накоплению путресцина, спермина и спермидина. Однако, когда на 18-е сутки после обработки резко усиливался выход электролитов, особенно в варианте Т2, общее содержание полиаминов слегка снижалось. Накопление полиаминов в листьях огурца, подвергнутых УФ-Б облучению, очевидно, можно рассматривать как один из механизмов адаптации к этому стрессу.
Cucumis sativus - рост - проницаемость мембран - полиамины - УФ-Б облучение
Истощение запасов озона в стратосфере вызывает беспокойство в связи с опасностью действия возрастающей дозы ультрафиолетовой радиации (УФ-Б, 280-320 нм) на растения. Такая опасность особенно заметно возросла в последние 30 лет. Проведенные исследования влияния УФ-Б на морфологию и физиологию растений, их рост и развитие показали, что увеличение дозы УФ-Б радиации у поверхности земли может наносить ущерб сельскому хозяйству и природным экосистемам [1-6]. Растения разных видов по-разному реагируют на УФ-Б облучение. Примерно треть из 70 исследованных сельскохозяйственных культур не реагировали или, по крайней мере, не страдали от облучения, а 20% из них были крайне чувствительны к УФ-Б [7].
Со времени открытия полиаминов неоднократно проводились исследования их физиологической роли в растениях. Сначала считали, что полиамины стимулируют рост и развитие, а также способствуют задержке старения [8]. Позже их начали рассматривать как новые гормоны. Не-
Сокращения: Пут - путресцин; Спд - спермидин; Спм -спермин.
Адрес для корреспонденции: Li Zhean An. School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou, 730000 China. Fax: 0086931-4967181; e-mail: lizhean@lzu.edu.cn
которые исследователи предположили, что полиамины могут служить вторичными мессенжера-ми, функционирующими наподобие цАМФ и таким образом регулирующими рост растений [8]. Было показано, что полиамины подавляют активность РНКаз и протеаз, замедляя старение и поддерживая стабильность структуры мембран [8, 9]. Благодаря этому растения могут лучше сопротивляться стрессам [10-12]. Такие стрессы, как засуха [13], осмотический стресс [14], низкая температура [15, 16], увеличенные дозы озона [17-21] или УФ-Б радиация [22-24], приводят к накоплению полиаминов. Обработка растений полиаминами ослабляет или предотвращает вредные эффекты озона или низкой температуры [16]. Если накопление полиаминов in vivo снижается, озон сильнее повреждает растения [20]. Полиамины также могут предотвращать перекисное окисление липидов [24]. Многие исследователи считают, что накопление полиаминов необходимо для преодоления стрессов [13, 18]. Кроме того, изучено взаимодействие полиаминов и других метаболитов культивируемых растений, таких как этилен [17-24].
Задачей данной работы было проследить за изменениями содержания полиаминов в листьях огурца, подвергнутых действию повышенных доз УФ-Б радиации, и попытаться понять их роль при адаптации растений к этому стрессу.
МЕТОДИКА
Растительный материал и условия выращивания. Семена огурца (Cucumis sativus L., сорт Jing-chun 3) получали от семенной компании провинции Ганьсу. Их стерилизовали в течение 20 мин 5%-ной NaOCl, затем замачивали в воде в течение 24 ч и высевали в пластиковые цветочные горшки объемом 1.5 л, наполненные смесью вермикулита, песка и почвы (6 : 2 : 2). Растения выращивали в теплице с контролируемыми климатическими условиями: при освещении в течение 14 ч ФАР (400-600 мкмол/(м2 с)), температуре 30/15°C (день/ночь) и относительной влажности воздуха 70 ± 5%. Проростки ежедневно поливали водой, а каждый третий день - раствором Хогланда. В опытах использовали проростки с полностью развившимися тремя листьями.
УФ-Б облучение. Проростки освещали УФ-Б лампами (УФ-Б-310, "Qin Model", Китай). В вариантах с УФ-Б облучением фильтром служила 0.13-миллиметровая пленка ацетата целлюлозы, пропускающая свет с длиной волны менее 290 нм, или, в контроле, 0.08-миллиметровая полиэтиленовая пленка, поглощающая свет с длиной волны менее 320 нм. Перед использованием лампы подвергали старению в течение 100 ч, а пленку ацетата целлюлозы - в течение 6 ч. Пленку ацетата целлюлозы меняли каждые 5 сут, чтобы сохранить постоянный уровень биологически эффективной УФ-Б радиации (УФ-Ббэ). Излучение ламп измеряли радиометром [25] и нормализовали к 300 нм. Лампы подвешивали над стеллажами и регулярно их поднимали, для того чтобы поддерживать постоянное расстояние между лампой и верхушкой растения. Мы применили два уровня УФ-Б облучения: 8.82 кДж/м2 (Т\) и 12.6 кДж/м2 (Т2). В обоих случаях растения с тремя листьями облучали по 7 ч ежедневно в течение 25 сут. В соответствии с математической моделью Madronich [26], уровни использованного нами облучения соответствовали потере озона, равной 8% (при Тх) и 21% (при Т2), в стратосфере в районе Ланьчжоу (103°49' в.д. и 36°04' с.ш., 1650 м над уровнем моря) в ясный солнечный день.
Анализ роста. Через 25 сут после обработки УФ-Б собирали по 20 растений каждого варианта
и измеряли площадь листьев, высоту растений и длину эпикотилей. Отделенные корни, стебель и листья каждого растения высушивали при 68°С в течение 48 ч и определяли общий сухой вес и сухой вес по отдельности корней, стебля и листьев, а также подсчитывали индекс ответа (ИО) и удельный вес листа (УВЛ) по формулам:
ИО = [(ВРо - ВРк)/ ВРк + (СВо - СВк)/ СВк +
+ (ПЛо - ПЛк)/ ПЛк] х 100%,
УВЛ = СВЛ/ПЛ,
где ВРо и ВРк - высота растения соответственно в опыте (УФ-Б облучение) и контроле, СВо и СВк -сухой вес растения в опыте и контроле, ПЛо и ПЛк -площадь листьев в опыте и контроле, СВЛ - сухой вес листа.
Определение полиаминов. Полиамины экстрагировали из третьего листа растений огурца (навеска около 1 г) и подвергали бензоилирова-нию, как описано ранее [26]. Бензоилированные образцы элюировали 64%-ным метанолом в колонке для обратно-фазовой хроматографии (С18) размером 4.6 х 250 мм, заполненной частицами размером 5 мкм. Элюцию проводили при скорости тока 0.8 мл/мин, при комнатной температуре с регистрацией поглощения при 254 нм. Детали хроматографического анализа и аналитические процедуры описаны в работах Flores и Galston [27] и An и Wang [18].
Проницаемость мембран. О проницаемости мембран судили по утечке электролитов. Проницаемость мембран в листовых дисках использовали как показатель повреждения. Диски, высеченные из третьего листа, погружали в 25 мл деиони-зованной воды, содержащей для лучшего смачивания 0.02% Тритона Х-100, и встряхивали в темноте при 20°С в течение 16 ч. Электропроводность раствора измеряли, как описано ранее [18]. После измерений раствор вместе с дисками листьев автоклавировали при 121°С в течение 20 мин, охлаждали до комнатной температуры и затем снова измеряли электропроводность для определения полного выхода электролитов. Поскольку выход электролитов из листовых дисков после автоклавирования не менялся, мы в дальнейшем
Таблица 1. Влияние УФ-Б облучения в течение 25 сут на параметры роста проростков огурца
Вариант Сухой вес растения, Сухой вес листьев, Площадь листа, 2 см2 Удельный вес листа, мг/см2 Высота растения, см Длина эпикотиля, см Индекс ответа, %
Контроль Ti Т2 3.32 ± 0.21a 5.00 ± 0.10b 4.30 ± 0.22е 5.89 ± 0.08a 2.99 ± 0.11a 2.60 ± 0.18b 99.1 ± 6.5a 91.7 ± 3.4a 69.0 ± 8.7b 335 ±19a 336 ± 10ab 376 ± 8b 12.2 ± 1.2a 10.2 ± 1.1ab 9.0 ± 0.7b 2.75 ± 0.19a 2.51 ± 0.20ab 2.24 ± 0.23b -49 -84
Примечание. Представлены средние значения для 10 растений и их стандартные ошибки. Разные буквы при цифрах в колонках обозначают достоверные различия (P < 5%).
734
АН и др.
8 250
о я
,200
150
^ 100
о —
к
л
* 50 &
о и о
° 0
Ц 500
о h
& 400
я
о
Jh
К
«
U 200
(а)
100
300
250
200
150
100
50
2 3
(б)
2 1
(в)
23
9 12
Время, сут
I
15
Влияние УФ-Б облучения на содержание полиаминов в листьях огурца.
Представлены средние данные для 4 образцов и их стандартные ошибки (бары). а - Пут, б - Спд, в - Спм. 1 - контроль, 2 - Т1, 3 - Т2.
использовали электропроводность непрогретого раствора как параметр, характеризующий выход электролитов. Каждое определение проводили в трех повторностях.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Влияние УФ-Б облучения на рост проростков огурца
Влияние УФ-Б радиации на рост проростков огурца оценивали, используя вышеприведенные формулы. Индексы ответа при уровнях облучения Т1 и Т2 были равны -49 и -84% соответственно. Независимо от уровня облучение слабо влияло на сухой вес стеблей. В то же время после УФ-Б облучения снижалась площадь листьев, их сухой вес и высота растений. Эти эффекты проявлялись в опытах, где был подавлен рост эпикотилей. Влияние УФ-Б радиации на удельный вес листа не было значительным (табл. 1).
Влияние УФ-Б облучения на проницаемость мембран
Выход электролитов в окружающую среду является показателем степени повреждения ткани. Электропроводность дистиллированной, деиони-зованной воды резко возрастает, когда в нее попадают ионы из поврежденных клеток. О степени повреждения клеток или тканей при стрессе можно судить по изменению концентрации ионов в окружающем растворе после инкубации в нем целых листьев или ли
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.