CC BY
403
УДК 581.1
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ К ВОЗДЕЙСТВИЮ СОЛЕВОГО СТРЕССА
© 2018 Т. А. Белова1, А. С. Кравченко2
1докт. биол. наук, профессор кафедры общей биологии и экологии е-mail: t. [email protected]
2бакалавр направления подготовки Биология профиля Биоэкология е-mail: nas. [email protected]
Курский государственный университет
В статье дана оценка действия натрий-хлоридного засоления на растения Triticum aestivum L. и процессов, обеспечивающих поддержание ионного гомеостаза и водного обмена растений в условиях солевого стресса, а также отражены результаты исследований по изучению физиологических механизмов солеустойчивости растений при предпосевной обработке салициловой кислотой и изменений, происходящих под воздействием факторов солевой закалки. Уделено внимание процессам, обеспечивающим повышение адаптационных способностей растений к воздействию повышенного осмотического потенциала почвы и изменения анатомо-морфологических и физиологических параметров в условиях засоления. Доказана эффективность применения методов повышения солеустойчивости для сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: пшеница мягкая, засоление, солеустойчивость, салициловая кислота.
Засоление, наряду с экстремальными температурами и засухой является одним из наиболее важных абиотических факторов внешней среды, которые отрицательно сказываются на росте растений. Повышенный осмотический потенциал почвенного раствора - один из лимитирующих факторов, распространенный на очень больших территориях как в нашей стране, так и во всем мире. На все культивируемые виды этот фактор оказывает негативное влияние, степень которого тем больше, чем выше уровень засоления. Скопление даже безвредных солей повышает осмотическое давление почвенного раствора и затрудняет водоснабжение растений. Некоторые соли действуют на растение как специфические яды. Отрицательное влияние засоления проявляется в ухудшении многих свойств и функций растений и в итоге приводит к снижению их продуктивности [Кошкин 2010; Терлецкая 2009].
Все это определяет необходимость изучения механизма повреждающего действия засоления и способов повышения солеустойчивости. Солеустойчивость культурных растений определяется совокупностью свойств, в основе которых лежат специфические адаптационные механизмы. Эти механизмы отличны по своей природе и связаны с разными уровнями структурной организации растений от молекулярного до организменного. Изучение адаптационных механизмов на разных уровнях структурной организации растений имеет большое значение для повышения урожая сельскохозяйственных культур на засоленных почвах.
Исследование этой проблемы ведется в основном в двух направлениях: во-первых, изучение физиологических механизмов солеустойчивости и изменений,
происходящих в растении под воздействием засоления; во-вторых, изучение генетических основ солеустойчивости растений.
Солеустойчивость - это генетически детерминируемый признак, не имеющий конкретного числового выражения [Шакирова, Безрукова 1997; Бй^апоу й а1. 1989]. Засоление приводит к созданию в почве низкого (резко отрицательного) водного потенциала, поэтому поступление воды в растение сильно затруднено.
Наиболее вредное влияние оказывают ионы №+ и С1-. Под влиянием натрий-хлоридного засоления происходят нарушения ультраструктуры клеток и изменения в структуре хлоропластов. Вредное влияние высокой концентрации солей связано с повреждением мембранных структур, в частности плазмалеммы, вследствие чего возрастает ее проницаемость, теряется способность к избирательному накоплению веществ. В этом случае соли поступают в клетки пассивно вместе с транспирационным током воды [Чудинова, Орлова 2006]. На засоленных почвах большая концентрация натрия препятствует накоплению других катионов, в том числе и таких необходимых для жизни растения, как калий и кальций. Важнейшей стороной вредного влияния солей является также нарушение процессов обмена. Работами Б. П. Строганова показано, что под влиянием солей в растениях нарушается азотный обмен, накапливается аммиак и другие ядовитые продукты. Повышенная концентрация хлористых солей может действовать как разобщитель процессов окисления и фосфорилирования и нарушать снабжение растений макроэргическими фосфорными соединениями. Отрицательное действие высокой концентрации солей сказывается раньше всего на корневой системе растений. При этом в корнях страдают наружные клетки, непосредственно соприкасающиеся с раствором соли. В стебле наиболее подвержены действию солей клетки проводящей системы, по которым раствор солей поднимается к надземным органам.
В основе устойчивости растений к солям лежат физиологические механизмы, запускающие реакции обмена веществ, которые нейтрализуют неблагоприятное действие солей. Это может быть окислительное разрушение токсичных соединений и их производных, накопление веществ, регулирующих осмотические свойства клеток и оказывающих защитное влияние [Веселов и соавт. 2007]. Другой тип приспособлений связан с защитными функциями мембран, регулирующих транспорт ионов из среды в клетку [81хо§апоу й а1. 1989]. Осмотический актив в них создается за счет продуктов ассимиляции.
Солеустойчивость растений можно повысить, применив различные приемы закаливания с использованием соединений, повышающих сопротивляемость растительных организмов в экстремальных ситуациях за счет мобилизации их естественных защитных механизмов. К таким соединениям можно отнести пролин, салициловую кислоту, антитранспиранты [Ассаф 2011; Кравченко, Белова 2017], которые оказывают влияние на процессы осморегуляции и модификации транспортных процессов [Шакирова, Безрукова 1997; кшпйбоу, БЬеууакоуа 2010]. Изменения данного характера способствуют появлению физиологических адаптаций и дают анатомо-морфологический отпечаток.
Целью данной работы является оценка действия натрий-хлоридного засоления на растения Тпйсиш аеБйуиш Ь., формирование ответных реакций растительных организмов на воздействие повреждающих факторов солевого стресса и процессов, обеспечивающих поддержание ионного гомеостаза и водного обмена растений, а также изучение физиологических механизмов солеустойчивости растений при предпосевной обработке салициловой кислотой (СК) и изменений, происходящих под воздействием факторов солевой закалки.
Исследования проводили в лабораторных условиях на растениях Triticum aestivum L. Перед посевом семена были стерилизованы раствором марганцевокислого калия и промыты дистиллированной водой. Посев проводили в вегетационные сосуды, заполненные универсальным почвенным субстратом.
Растения опытных вариантов выращивались на фоне 1%-го раствора NaCl. Для повышения солеустойчивости использовали метод предпосевной обработки семян салициловой кислотой: замачивание семян в растворе салициловой кислоты в течение 3 часов. Анализ литературы показал [Ассаф 2011; Шакирова, Безрукова 1997], что в наибольшей степени защитный эффект СК выражен в концентрации 5 10-5 моль/л, поэтому данная концентрация использовалась в представляемом опыте.
Основной задачей являлся анализ физиологических и анатомо-морфологических показателей растений, произрастающих в условиях засоления и на фоне фактора солеустойчивости. Все измерения и учеты проводили с первых этапов прорастания семян. При этом исследовались показатели роста растений (высота растений, площадь листьев, сухая и сырая масса), а также оценивались осмотические свойства клеток, работа устьичного аппарата, количественное и качественное содержание пигментов. Содержание пигментов определяли в лабораторных условиях в четырех аналитических повторностях. Пигменты экстрагировали 96%-м этанолом, их количество определяли на спектрофотометре. Интенсивность транспирации определяли весовым методом с помощью торсионных весов. Устьичный аппарат анализировали, используя метод отпечатков, их размер определяли с помощью окуляр-микрометра.
Действие солей на растение начинается с их проникновения в набухающие семена. По данным Г. В. Удовенко, вначале количество поступающего в семена хлора в условиях хлоридного засоления незначительно и не превышает того, которое может поступать путем пассивной диффузии [Удовенко 1979]. С возрастанием интенсивности обмена веществ в семенах и появлением проростка скорость поступления хлора резко увеличивается. Результатом данного воздействия явилось значительное снижение всхожести семян - на 27,3 %.
Тормозящее влияние хлора и натрия было нивелировано действием салициловой кислоты на первых же этапах развития. Салициловая кислота (2-гидроксибензойная или фенольная кислота) - эндогенное соединение фенольной природы, обладающее способностью индуцировать системную приобретенную устойчивость растений к разнообразным по природе возбудителям болезней и других абиотических стрессоров. К настоящему времени получены многочисленные результаты, убедительно свидетельствующие в пользу вовлечения салициловой кислоты в индукцию и развитие системной приобретенной устойчивости [Чудинова 2006; Шакирова, Безрукова 1997]. Салициловая кислота — это регулятор роста, выполняющий в растениях разнообразные физиологические функции: является естественным ингибитором поступления ионов в корни [Glass 1973], антагонистом АБК в регуляции движения устьиц и других физиологических процессов. Все эти данные позволяют рассматривать салициловую кислоту как перспективное соединение для практического применения с целью защиты растений от широкого спектра стрессовых.
Эффект влияния салициловой кислоты на устойчивость пшеницы к засолению среды уже выявлен на этапе прорастания семян. Замачивание семян в растворе салициловой кислоты приводило к существенному повышению их энергии прорастания и всхожести (до 82,8 %) на среде с №Cl, при этом защитный эффект салициловой кислоты проявлялся в изменении физиологических процессов у растений.
При микрокопировании образцов растений, выращенных в условиях повышенного осмотического потенциала почвы, было обнаружено большое количество клеток со сгустившейся цитоплазмой, количество крупных вакуолизированных клеток
значительно снижалось, развивался процесс плазмолиза - отделение протопласта от клеточной стенки под действием гипертонического раствора. Эти процессы и тормозили процесс прорастания семян. Обработка салициловой кислотой нивелировала данные изменения и приближала физиологическое состояние клеток к уровню контроля, что повысило всхожесть на 15,5 %.
В гипертоническом почвенном растворе №С1 возникает осмотический ток воды из клеток семян. Из клетки выходит в основном слабосвязанная вода, поэтому объем вакуоли уменьшается и давление ее на протопласт падает, туршр уменьшается. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки. Поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы -цитоплазматические нити, роль которых заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке, то при отхождении протоплазмы от клеточных стенок в процессе плазмолиза происходит разобщение пламодесм и нарушение межклеточных связей. Именно поэтому в клетках прекращается поступление питательных веществ, что и становится основной причиной замедления роста растений.
При определении вязкости цитоплазмы плазмолитическим методом было отмечено, что плазмолиз в варианте с салициловой кислотой наступал чуть медленнее, чем у остальных вариантов. Это связано с наличием большого числа моносахаридов, которые повышали вязкость цитоплазмы.
У культурных растений при произрастании на засоленной почве заметным изменениям было подвержено не только микроскопическое, но и макроскопическое строение вегетативных органов. Использование в опыте повышенных концентраций №С1 отрицательно сказалось на длине побегов, в процентном отношении этот показатель снижался на 13,4 %. Анализ морфометрических показателей свидетельствует о том, что длина растений отличалась с первых дней прорастания семян. Это связано с действием солевого стресса на зоны деления и роста клеток корня.
Растения пшеницы, прошедшие солевую закалку, оказались более устойчивыми к засолению, что подтверждается увеличением длины побегов на 11,7 % и отсутствием статистически значимых различий с контрольными вариантами.
40
Контроль ЫаС1-засоленне ЫаС1-засолет1е+СК
П Высота растений, см П Площадь листьев, см2
Рис. 1. Морфофизиологические показатели растений под воздействием солевого стресса и
салициловой кислоты
Предпосевная обработка салициловой кислотой приводит к целому спектру морфофизиологических изменений фотосинтетического аппарата. В ходе проведенных
экспериментов было установлено, что предпосевное замачивание семян в растворе СК существенно увеличивало площадь листьев, а также отразилось на количественном и качественном изменении пигментного аппарата.
Одним из элементов, от которого зависит фотосинтетическая деятельность растений, является ассимиляционная поверхность. Она проявляет тенденцию к изменениям в сторону ксерофитности и снижению интенсивности фотосинтеза. В условиях засоления ее площадь существенно сокращается, более чем на 17,2%, увеличивается количество проводящих пучков в 1,2 раза. СК, повышая адаптационные свойства растений, способствовала изменению данного показателя и приближению его к уровню контроля: площадь листьев увеличивалась на 14,7 % по сравнению с растениями, выращенными в условиях солевого стресса.
Увеличение на 6,6% сухой массы растений, прошедших адаптацию, может свидетельствовать и об увеличении интенсивности фотосинтеза у растений пшеницы.
Условия засоления отрицательно влияют на концентрацию хлорофиллов и каротиноидов. Причиной данного явления считают увеличение гидролитической активности хлорофиллазы при засолении [Филатова и соавт. 2008]. Содержание пигментов фотосинтеза (хлорофиллов а и Ъ и каротиноидов) у растений пшеницы в условиях засоления №С1 было значительно ниже, чем у контрольных (рис.). При этом наблюдается более интенсивный распад хлорофилла а по сравнению с хлорофиллом б, что говорит о большой лабильности хлорофилла а. При засолении нарушается ультратонкая структурная организация хлоропластов.
ЫаС1-засолет1е + СК
0,51
0,88
1,66
ЫаС1-засолет1е
0,48
0,82
1,54
0,54
Контроль 0,97
1,87
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
п Каротиноиды, мг/г сырой массы п Хлорофилл Ь, мг/г сырой массы
п Хлорофилл а, мг/г сырой массы
Рис. 2. Содержание пигментов фотосинтеза у растений пшеницы в условиях засоления
У растений пшеницы, обработанных салициловой кислотой, наблюдалось более высокое содержание пигментов, чем у контрольных или обработанных №С1. При этом в большей степени нивелировались показатели по содержанию хлорофилла а. В условиях антистрессового адаптогена в клетках мезофилла растений засоленного фона при глазомерной оценке обнаруживалось увеличение количества хлоропластов.
Засоление приводит к изменениям устьичного аппарата. При этом уменьшались размеры устьиц, а их количество на единицу площади увеличивалось, что еще раз подтверждает наличие явлений, характеризующих изменение структур листа в сторону ксерофитности. При действии СК включаются приспособительные реакции, которые обеспечивают ионный гомеостаз, и устьица могут закрываться, что наблюдалось именно у контрольных растений. Способность растений быстро закрывать устьица при наличии соли в питательном растворе способствует формированию солеустойчивости и может быть использована как физиологический признак формирующийся в условиях солевого стресса. Приведенные данные свидетельствуют о том, что на фоне засоления реакция транспирационной системы растения направлена на приспособление к затрудненному водному режиму.
Водный режим растений в условиях засоления и действия СК
Вариант опыта Число устьиц на единицу площади листа, верхний/ нижний эпидермис, шт Размеры устьиц, мк Интенсивность транспирации, мг/см2ч
Контроль 44,6/52,5 65,4 14,8
NaCl-засоление 47,1/58,9 52,2 12,3
NaCl-засоление + СК 46,6/58,2 53,5 14,2
Изменения устьичного аппарата напрямую оказывало влияние на водный режим растений, в первую очередь на интенсивность транспирации. При засолении субстрата подвижность в нем воды и доступность ее для растений заметно снижается, поэтому растения вынуждены испытывать своеобразную «физиологическую засуху». Транспирация растений в условиях хлоридного засоления изменилась уже на ранних этапах развития, и её показатель значительно уменьшался: растения сохраняли скорость транспирации на уровне 84 % от контроля. При обработке СК этот показатель претерпевал незначительные изменения (её интенсивность снижалась не более чем на 3,4 %).
При этом амплитуда изменений водного режима при одинаковой степени засоления среды значительнее при отсутствии СК. Предполагается, что под влиянием СК при засолении увеличивается процент связанной воды. В этих условиях в клетках повышается содержание осмотически активных веществ, прежде всего ионов солей, и низкомолекулярных органических соединений, а также возрастает количество гидрофильных коллоидов.
Водный обмен растений тесно связан с осмотическими свойствами клеток. На засоленной почве, в которой повышено осмотическое давление питательного раствора, у растений во всех органах увеличивается осмотический потенциал клеточного сока. В основном это обусловлено накоплением в клетках повышенных количеств осмотически активных гидрофильных ионов солей и увеличением концентрации низкомолекулярных органических соединений, связанным с изменениями реакции метаболизма. Это обеспечивает растениям возможность поглощения воды из засоленного субстрата. Обработка растений пшеницы 0.05 мМ салициловой кислотой вызывает быстрое накопление АБК в них [Шакирова, Безрукова 1997]. Это дало основание полагать, что именно с этим гормоном связано проявление защитного действия салициловой кислоты на пшеницу. В условиях засоления на фоне NaCl происходит постепенное увеличение содержания моносахаров, что можно рассматривать как процесс адаптации к условиям засоления, направленный на восстановление осморегуляции в растениях. Использование СК приводит к значительному снижению содержания растворимых сахаров по сравнению с контрольными вариантами, в основном за счет активизации ростовых процессов.
Таким образом, соотношение солей в засоленной почве является для растений определенным формообразующим фактором, который в пределах вида может создавать отдельные экотипы с характерными анатомо-морфологическими признаками. Экспериментально вызванные резкие физиологические изменения у растений под действием хлористых солей не являются необратимыми и возможна их коррекция применением антистрессовых факторов, которые уменьшают эффект снижения физиологических процессов и стимулируют ростовые показатели.
Салициловая кислота способствует повышению солеустойчивости растений пшеницы как физиологического свойства растений сохранять относительный пространственный химический состав клеток и тканей (гомеостаз) при содержании в почве солей. СК повышает способность растений в процессе приспособления к засоленности почвы переносить почвенное засоление, развивая при этом активные эколого-биологические реакции, направленные на усиление жизнестойкости растения в данных условиях. Все это позволяют рассматривать салициловую кислоту как перспективное для практического применения соединение с целью защиты растений от солевого стресса.
Библиографический список
Ассаф И. Влияние салициловой кислоты на солеустойчивость проростков пшеницы сорта Cham-6. // Известия ТСХА. 2011. Вып. 4. С. 96-100
Веселое Д.С., Маркова И.В., Кудоярова Г.Р. Реакция растений на засоление и формирование солеустойчивости // Успехи современной биологии. 2007. Т. 127, № 5. С. 482-493.
Захарин А. А. Особенности водно-солевого обмена растений при солевом стрессе // Агрохимия. 1990. № 8. С. 69-79.
Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учеб. для вузов. М.: ДРОФА, 2010. 638 с.
Кравченко А.С., Белова Т.А. Физиологические особенности солеустойчивости Triticum aestivum L. при предпосевной обработке // Интеграционные процессы мирового научно-технологического развития: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практич. конф.: в 2 ч. / под общ. ред. Е.П. Ткачевой. 2017. С. 37-39.
Терлецкая Н.В. Повреждающее действие абиотических стрессов на растительные клетки зерновых злаков // Труды Никитского ботанического сада, 2009. Т. 131. С. 152-155
Удовенко Г.В. Механизмы адаптации растений к стрессам // Физиология и биохимия культурных растений. 1979. Т.11. № 122. С. 99-107
Филатова Л.А., Кусакина М.Г., Якушева И.Н. Влияние засоления на фотосинтетические показатели этиолированных проростков фасоли при переносе их на свет // Вестник пермского университета, Биология, 2008. Вып. 9(25). С. 11-14
Чудинова Л.А., Орлова Н.В. Физиология устойчивости растений: учеб. пособие к спецкурсу / Перм. ун-т. Пермь, 2006. 124 с.
Шакирова Ф.М., Безрукова М.В. Индукция салициловой кислотой устойчивости пшеницы к засолению среды // Известия РАН Сер. Биол. 1997. 2. С. 149-153
Stroganov B.P. Problemy soleustojchivosti rastenij / B.P. Stroganov, L.K. Klyshev, R.A. Azimovidr. Tashkent: FAN, 1989. 184 s.
Glass ADM. Influence of phenolic acids on ion uptake: I. Inhibition of phosphate uptake // Plant Physiol. № 51. 1973. Р. 1037-1041.
Kuznetsov Vl.V., Shevyakova N.I. Polyamines and plant adaptation to saline environments // Desert Plants. 2010. Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer Verlag. P. 261-298.
