ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 2, с. 207-213
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
водный обмен и рост исходных и дефицитных по абк
мутантных растений ячменя при повышении температуры воздуха
© 2014 г. Г. Р. Кудоярова*, Д. С. Веселов*, Г. В. Шарипова*, Г. Р. Ахиярова*,
I. C. Dodd**, С. Ю. Веселов***
*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Уфимского научного центра
Российской академии наук, Уфа **The Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, Great Britain ***Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Башкирский государственный университет", Уфа Поступила в редакцию 29.10.2012 г.
Представлены данные о влиянии повышения температуры воздуха на 4°С на рост листьев и параметры водного обмена у растений ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Steptoe и его дефицитного по АБК мутанта (AZ34). Увеличение температуры вначале привело к прекращению удлинения листьев у растений обоих генотипов, однако затем у растений Steptoe полностью восстановилась скорость прироста листа в отличие от мутантных растений. До изменения температуры воздуха уровень транспирации был выше у мутантных растений, а с ее повышением транспирация увеличивалась у растений обоих генотипов. После восстановления роста водный потенциал листьев Steptoe несколько увеличился по сравнению с первоначальным уровнем (до повышения температуры). У листьев AZ34, наоборот, водный потенциал, который изначально был ниже, чем у листьев Steptoe, после повышения температуры уменьшился. Расчет общей гидравлической проводимости в побегах и осмотической гидравлической проводимости корней показал, что эти показатели возросли у Steptoe и остались без изменений у AZ34. При повышении температуры у растений AZ34 уровень АБК не менялся, а у растений Steptoe возрастал в корнях и снижался в побегах. Сделан вывод, что способность к синтезу АБК необходима для контроля общей гидравлической проводимости при изменениях условий окружающей среды.
Ключевые слова: Hordeum vulgare - рост - водный обмен - АБК - повышение температуры воздуха
DOI: 10.7868/S0015330314020079
ВВЕДЕНИЕ
Регуляция водного обмена играет важную роль в процессе адаптации растений к условиям обитания. Их изменения в неблагоприятную сторону часто создают проблемы в поддержании баланса между поглощением и испарением воды. При изучении механизмов восстановления водного баланса наибольшее внимание уделяется закрытию устьиц, за счет которого происходит ограничение транспирационных потерь в условиях дефицита воды (см. ссылки в [1]). Вместе с тем, закрытие устьиц означает выключение процесса, обеспечивающего охлаждение растений, что может привести к их перегреву в условиях воздушной засухи, сопровождающейся повышением температуры [2, 3]. Способность растений под-
Адрес для корреспонденции: Кудоярова Гюзель Радомесовна. 450054 Уфа, Пр. Октября, 69. Институт биологии Уфимского НЦ РАН. Электронная почта: guzel@anrb.ru
держивать транспирацию важна для их адаптации к повышению температуры. Так, высокая скорость роста и урожайность были характерны для растений пшеницы и хлопчатника, способных поддерживать устьица открытыми при сверхоптимальной температуре воздуха [4]. Очевидно, что поддержание высокого уровня транспирации невозможно без адекватного притока воды из корней, а скорость потока воды по растению определяется гидравлической проводимостью его тканей [5, 6]. Сравнение скорости транспирации и гидравлической проводимости выявило корреляцию между этими показателями: в дневное время активация транспирации была сопряжена с возрастанием гидравлической проводимости корней, что было связано с повышением экспрессии генов водных каналов аквапоринов [7]. Было показано, что возрастание гидравлической проводимости позволяло растениям пшеницы под-
208
КУДОЯРОВА и др.
держивать высокий уровень транспирации без снижения оводненности тканей листа при нагреве воздуха [5]. Оказалось, что изменение распределения АБК между побегом и корнем растений пшеницы влияло на уровень транспирации растений при повышении температуры воздуха [8]: ин-гибирование оттока АБК из побега в корни и накопление гормона в листе приводило к закрытию устьиц. Было высказано предположение, что именно накопление АБК в корнях обеспечивало повышение гидравлической проводимости при нагреве воздуха. Это предположение опиралось на данные литературы о способности АБК повышать гидравлическую проводимость через изменение активности аквапоринов [9]. Вместе с тем, данные о влиянии АБК на гидравлическую проводимость неоднозначны [10], что не позволяло сделать окончательный вывод о причинно-следственной связи между накоплением АБК в корнях и возрастанием их гидравлической проводимости при повышении температуры воздуха. Для того, чтобы проверить гипотезу о прямой зависимости гидравлической проводимости от уровня АБК, мы сравнили реакцию на повышение температуры воздуха у исходных и мутантных растений ячменя с пониженной способностью к накоплению этого гормона.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Семена растений ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Steptoe и его дефицитного по АБК мутанта AZ34 проращивали на плотиках (связанные вместе полые запаянные стеклянные трубки) в течение трех дней в темноте на водопроводной воде и затем еще 4 дня - на 10% питательном растворе Хогланда-Арнона при освещенности 400 ммоль/(м2 с), 14-часовом световом дне и температуре 24 ± 1°C. У семидневных растений после измерения скорости роста, транспирации и водного потенциала листьев температуру повышали на 4 ± 1°С по сравнению с исходной, как описано ранее [5, 8], с помощью тепловентилятора, отгородив растения от прямого действия потока воздуха ширмой из оргстекла. При этом исходная 60% влажность воздуха снижалась до 50%. На протяжении эксперимента поддерживали повышенный температурный режим.
Транспирацию оценивали гравиметрически -по потере веса стаканчиком с 50 мл питательного раствора и десятью проростками. Стаканчик закрывали алюминиевой фольгой с отверстием для проростков, чтобы предотвратить испарение воды с поверхности питательного раствора. Вес стаканчиков определяли каждые 10 мин, и по разнице в весе судили об интенсивности транспирации.
Рост растений регистрировали с помощью датчика роста на основе линейного дифференциального трансформатора с подвижным сердечником
ДЛТ-2. Сердечник трансформатора массой 1 г подвешивали на одном конце коромысла, к другому концу которого прикрепляли нить, соединяющую его при помощи миниатюрного деревянного зажима с верхушкой листа. По мере роста растения сердечник трансформатора опускается, что вызывает изменение индукции между обмотками. В фазо-чувствительной электронной схеме это изменение преобразуется в увеличение амплитуды электрического сигнала постоянного тока, который регистрируют на самопишущем потенциометре [6, 11].
Общую гидравлическую проводимость на пути воды из корней в листья (L) по аналогии с законом Ома рассчитывали по формуле:
L = Т/(Ч - Ч), (1)
где T — транспирация (мг воды/(м2 листа ч)), Ч и Ч — водный потенциал питательного раствора и листа соответственно (модификация метода [12]).
Водный потенциал листьев и питательного раствора оценивали с помощью психрометра (PSYPRO, "Wescor", США). Растения брали для измерения водного потенциала спустя 20 мин после повышения температуры воздуха.
Осмотическую гидравлическую проводимость
корней растений рассчитывали по формуле:
Lpr = Jv/A Чп, (2)
где Lpr — гидравлическая проводимость корней (мг Н2О/(ч г сырого веса корня МПа)), Jv — объемный поток ксилемного экссудата через корни (мг экссудата/(ч г сырого веса корня)), АЧп -разность осмотического давления между ксилем-ным экссудатом и питательной средой (МПа) [6, 13]. Для определения объемного потока через корни (Jv) большую часть побега срезали. Отделенную корневую систему через оставшееся основание соединяли с тонким стеклянным капилляром с помощью силиконовой трубки. Вес ксилемного сока определяли на аналитических весах по разнице веса капилляра вместе с трубочкой до и после сбора сока. Объемный поток (Jv) определяли как отношение веса ксилемного сока к продолжительности его сбора и сырой массе корней [14]. Растения (n = 20) для сбора ксилем-ного сока отбирали перед повышением температуры воздуха и в течение 1 ч после 20-минутного действия повышенной температуры. Во время сбора ксилемного экссудата контрольные и опытные растения находились в одинаковых условиях при температуре 22-24°С.
Осмотический потенциал ксилемного сока и питательной среды (Х-А 10%) определяли по точке замерзания с помощью осмометра ("Camlab Ltd.", Великобритания).
Определение общего содержания АБК. Сбор образцов листьев 10 растений (по 3 биологических
Объемный поток ксилемного экссудата через корни (/у), разность осмотического давления между ксилемным экссудатом и питательной средой (А ¥п) и осмотическая гидравлическая проводимость корней растений (Хрг) до и через 20 мин после повышения температуры воздуха на 4°С (опыт)
Растение Вариант /у, мг/(ч г сырого веса корня) Д^л, МПа Хрг,мг/(ч г сырого веса корня МПа)
Steptoe контроль 106 ± 14а 0.31 ± 0.02а 347 ± 22б
опыт 151 ± 23а 0.25 ± 0.04а 611 ± 54в
AZ34 контроль 46 ± 15б 0.34 ± 0.03а 136 ± 18а
опыт 60 ± 25б 0.36 ± 0.03а 167 ± 15а
Примечание. Достоверно различающиеся между собой величины каждого показателя (прир < 0.05) обозначены разными буквами (двухфакторный дисперсионный анализ). п = 6.
повторности для каждого генотипа) проводили до и через 20 мин после повышения температуры. Растительный материал гомогенизировали и экстрагировали 80% этанолом. Спиртовой экстракт отделяли центрифугированием и упаривали до водного остатка с помощью ротационного испарителя. Экстракцию АБК из аликвоты водного остатка проводили по модифицированной схеме с уменьшением объема. Водный остаток подкисляли до рН 2—3 1 N HCl и проводили экстракцию диэтиловым эфиром в соотношении 1 : 5 (органическая фаза/водная фаза). Из объединенной органической фазы АБК реэкстрагировали 1% раствором гидрокарбоната натрия, взятым в соотношении 1 :
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.