ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 6, с. 913-917
УДК 581.1
ВОДОНАГНЕТАЮЩАЯ АКТИВНОСТЬ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ ПРИ КРОСС-АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ ПОДСОЛНЕЧНИКА К ГИПЕРТЕРМИИ И ВОДНОМУ ДЕФИЦИТУ
© 2004 г. А. Г. Дустмаматов, В. Н. Жолкевич, Вл. В. Кузнецов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 26.04.2004 г.
Для выяснения механизмов кросс-адаптации исследовали эффект теплового шока (ТШ, 2 ч при 45°С) на устойчивость листьев к перегреву и экссудацию отделенных корней 25-30-дневных растений подсолнечника (НеНамНш анныш Ь.) в условиях последующего водного дефицита. Показано, что предшествующий ТШ значительно повышал устойчивость листьев и интенсифицировал корневую экссудацию, особенно в условиях водного дефицита, который создавали переносом растений на гипертонический раствор №0 (17 мМ). Судя по тому, что при водном дефиците корни подвергнутых ТШ растений нагнетали воду против градиента осмотического давления между экссудатом и наружным раствором, можно заключить, что это нагнетание осуществлялось за счет метаболической (неосмотической) составляющей корневого давления. У корней растений, не испытавших действия ТШ, упомянутый градиент становился положительным. Это означает, что предварительный ТШ, наряду с другими индуцируемыми им изменениями, замедлял проникновение ионов натрия и хлора в корни. Полученные данные свидетельствуют об индуцируемой ТШ кросс-адаптации растений к высокой температуре и водному дефициту. Важной составной частью такой адаптации является ускорение водного обмена, в том числе усиление водонагнетающей деятельности корневой системы.
Heliaнthыs aнныыs - тепловой шок - водный дефицит - экссудация - осмотическое давление -кросс-адаптация
Механизмы кросс-адаптации, т.е. процесса повышения устойчивости растений к какому-то одному фактору в результате адаптации к фактору иной природы, остаются недостаточно исследованными. Вместе с тем показано, что кратковременный тепловой шок (ТШ) повышает устойчивость растений или изолированных клеток к последующему солевому стрессу [1-4], водному дефициту [5-8], высоким концентрациям солей тяжелых металлов [5, 9], УФ облучению [10-12], биопатогенам [13] и некоторым другим стрессорам. В то же время было продемонстрировано, что адаптация растений к засолению или водному дефициту сопровождается повышением устойчивости не только к этим факторам, но и к гипертермии [3, 5-8]. Это означает, что кратковременная гипертермия индуцирует формирование механизмов устойчивости растений к факторам
Сокращения: ТШ - тепловой шок; БТШ - белки теплового шока.
Адрес для корреспонденции: Жолкевич Владимир Николаевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (095) 977-80-18; электронная почта: ifr@ippras.ru
иной природы, и наоборот, т.е. речь идет о возможном функционировании общих механизмов устойчивости к различным стрессорным воздействиям.
Согласно довольно широко распространенному представлению, в основе кросс-адаптации растений может лежать новообразование белков теплового шока (БТШ), которые синтезируются в ответ на кратковременную гипертермию и обладают стресс-защитным эффектом, описываемым моделью "молекулярного шаперона" [2, 9, 10, 14]. Однако данный протекторный механизм развития кросс-адаптации, по-видимому, не является универсальным, поскольку в ряде случаев индуцируемое ТШ повышение устойчивости к повреждающим факторам другой физической природы не связано с новообразованием БТШ [3-5]. При этом протекторную роль может, в частности, играть индуцируемая ТШ внутриклеточная аккумуляция совместимых осмолитов в процессе последующей адаптации растений к засухе, засолению или другим неблагоприятным условиям. Так, кратковременная гипертермия многократно стимулировала аккумуляцию совместимых осмолитов в ходе последующей адаптации растений
хлопчатника к избыточному засолению [3] и прогрессирующей почвенной засухе [7, 8].
Согласно ранее полученным данным [6-8], адаптация растений хлопчатника к продолжительной засухе после кратковременной гипертермии проявлялась не только на молекулярном и биохимическом уровнях, но также и на уровне регуляции важнейших физиологических процессов, таких, например, как водный обмен. Тепловой шок не только повышал устойчивость растений хлопчатника к перегреву и последующей почвенной засухе, но и приводил к увеличению оводнен-ности листьев, одновременно стимулируя их водоотдачу. Иными словами, ТШ в условиях последующего водного дефицита препятствовал обычно наблюдаемому при засухе замедлению столь необходимых для жизнедеятельности процессов водообмена, в чем и проявлялся один из его защитных эффектов. Разумеется, это возможно лишь при усилении подачи воды из корней в побеги. Соответствующее предположение и было высказано в работе [6].
Для экспериментальной проверки этого предположения в данной работе исследовали влияние ТШ на водонагнетающую активность корневой системы (т.е. подачу воды из корней в побеги) при последующем водном дефиците.
МЕТОДИКА
Опытным объектом были 25-30-дневные растения подсолнечника (НеНаМки аппиш Ь., сорт Одесский 63), выращенные в условиях водной культуры на разбавленном вдвое питательном растворе Кнопа в камере фитотрона при 23°С, относительной влажности воздуха 60% и 15-часовом освещении люминесцентными лампами (освещенность около 10 клк). Более подробно методика выращивания описана в работе [15].
В той же самой камере проведены все опыты, за исключением воздействия перегрева, которому растения подвергали в темном термостате в течение 2 ч при 45°С и относительной влажности воздуха, близкой к 100%.
После окончания перегрева сосуды с растениями переносили обратно в камеру фитотрона. На следующий день у одной группы растений питательную смесь заменяли гипертоническим по отношению к экссудату раствором КаС1 (17 мМ), а остальные растения переносили на отстоявшуюся водопроводную воду. Концентрация раствора КаС1 была подобрана с таким расчетом, чтобы экссудация уменьшалась в среднем на 50% (т.е. создавали условия, близкие к осмотическому стрессу).
У предназначенных для наблюдений за ходом экссудации растений срезали побег на расстоянии 2.5 см выше корневой шейки. На пенек надевали
эластичную силиконовую трубку, служившую для сбора экссудата. Конец трубки соединяли с горизонтально закрепленной градуированной микропипеткой объемом 0.1 мл и измеряли скорость движения мениска в капилляре. В ряде опытов о скорости экссудации судили также по объему выделенного за определенный промежуток времени экссудата. Наблюдения за ходом экссудации проводили на протяжении нескольких суток. При этом сравнивали следующие четыре варианта: 1) без предварительного ТШ, корни в воде, 2) без предварительного ТШ, корни в гипертоническом растворе NaCl, 3) после ТШ, корни в воде, 4) после ТШ, корни в гипертоническом растворе NaCl.
Осмотическое давление измеряли микрокрио-скопическим методом, используя осмометр "Os-momat 030" ("Gonotec", Германия).
Устойчивость листьев к перегреву определяли у целых растений по методике Мацкова [16, с. 58] через различные сроки после окончания ТШ и характеризовали величиной поврежденной поверхности отделенных листьев, обработанных 0.1 N HCl в течение 30 мин. Повреждение выражалось в появлении бурых пятен вследствие разрушения хлорофилла. Непосредственно перед погружением в раствор HCl листья в течение 10 мин выдерживали в воде, нагретой до 45°С. Чем большая часть площади листа изменяла свою окраску, тем меньшей считалась устойчивость к перегреву. Определение проводили обычно у листьев 2-го яруса (считая снизу). В момент начала опыта это были самые крупные листья (всего растения в этом возрасте имели 4 яруса листьев, из которых лист 4-го яруса был еще зачаточным, а 3-й интенсивно рос).
На рисунках и в таблице представлены средние арифметические значения из 4-6 биологических повторностей. При статистической обработке экспериментальных данных использовали многофакторный дисперсионный анализ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Обычно после окончания ТШ тургор листьев в той или иной степени ослабевал. Однако через 1.5-3 ч он, как правило, восстанавливался. Во всяком случае на следующий день (когда начинали наблюдения за водонагнетающей деятельностью корневой системы) все перенесшие ТШ растения выглядели вполне тургесцентными.
Устойчивость листьев к перегреву в первые 2 ч после окончания ТШ большей частью несколько уменьшалась по сравнению с контрольными растениями. Затем она быстро возрастала, и уже через сутки могла превысить устойчивость контрольных растений в 2-4 раза, после чего постепенно снижалась (рис. 1). Таким образом, ТШ
определенно увеличивал устойчивость листьев к перегреву, что полностью согласуется с данными, ранее полученными в опытах с растениями хлопчатника [6]. Вместе с тем, судя по тому, что интенсивность экссудации у подвергавшихся действию ТШ растений по сравнению с контрольными возрастала, можно говорить о стимуляции ТШ во-донагнетающей деятельности корневой системы. При этом стимулирующий эффект ТШ со временем даже усиливался: на 2-е сутки он был выше, чем на 1-е, а на 4-е сутки - выше, чем на 2-е (рис. 2).
Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что ТШ стимулировал экссудацию не только у растений, корни которых находились в воде, но также и у растений, находившихся на гипертоническом растворе КаС1. Если у не подвергавшихся воздействию ТШ растений, корни которых находились в растворе №С1, экссудация в сравнении с экссудацией у контрольных растений (Н2О без ТШ) заметно ослабевала (что, пожалуй, и не удивительно), то у растений, перенесших ТШ, после переноса на раствор №С1 интенсивность экссудации не только существенно (в 2.5-3 раза) превышала таковую у не перенесших ТШ растений, но могла превысить даже интенсивность экссудации растений, находившихся на воде (в том числе и растений, подвергнутых ТШ, которые выделяли экссудат наиболее интенсивно) (рис. 2, на 2-е сутки после ТШ). Следовательно, эти данные подтверждают справедливость предположения [6] об индуцируемом ТШ усилении водонагнетающей активности ко
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.