CC BY
63УДК 633.63:632.954
Специфические и неспецифические реакции растений на гербициды
Е.А. ДВОРЯНКИН, д-р с/х. наук (e-mail: [email protected])
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы и сахара имени А.Л. Мазлумова»
Введение
Неоднозначность в понимании природы возникающих в клетке перестроек явилась одной из причин многолетней дискуссии о роли специфических и неспецифических реакций в устойчивости растений. Широко обсуждались две точки зрения. Одни исследователи считали, что переживание растением неблагоприятных условий обеспечивает универсальный неспецифический комплекс адаптивных процессов, характер которых не зависит от природы воздействующего фактора [2]. Альтернативой этим представлениям служило утверждение, что устойчивость растений определяют специфические приспособительные реакции, адекватные природе повреждающего фактора [4].
Важным аргументом в пользу универсального характера защитных реакций явилось существование так называемой «перекрёстной» устойчивости, т. е. реактивный подъём последней не только по отношению к данному воздействию, но одновременно и к другим факторам. Сторонники специфической концепции считают, что «перекрёстная» устойчивость связана с существованием явления «сопряжённой» (положительно или отрицательно) устойчивости.
Имеется точка зрения, объединяющая эти концепции — о неспецифичности и специфичности реакций в устойчивости растений к неблагоприятным окружающим условиям [1, 4].
Неспецифическая реакция
растений
С развитием теории окислительного стресса и обоснованием зна-
чения антиоксидантной системы защиты в адаптации к стрессу большинство исследователей склоняется к неспецифическому развитию основных ответных реакций у растений на любые неблагоприятные условия среды — физические, химические, биологические. Это вполне справедливое утверждение, но при более детальном исследовании выявлено, что, несмотря на высокую универсальность, в стресс-ответах растений есть и определённые индивидуальные реакции, зависящие от природы стрессора, интенсивности воздействия и генотипа растений.
В процессе адаптации растений к различным факторам среды В.В. Кузнецов и Г.А. Дмитриева [7] выделяют два этапа:
— быстрый первичный ответ (стресс-реакция), который обеспечивает кратковременную защиту организма от гибели за счёт включения быстрых защитных механизмов и временной промежуток для формирования более надёжных и эффективных защитных механизмов;
— значительно более длительный этап (специализированная адаптация), на протяжении которого синтезируются новые энзимы, или стрессорные белки, обеспечивающие обмен веществ в изменившихся условиях.
Если действие стрессорного фактора прекращается, растительный организм постепенно восстанавливается. Если воздействие превышает защитные возможности организма, повреждение растения усиливается и наступает его гибель.
Известны гербициды — ингибиторы синтеза аминокислот, липи-дов, фотосинтеза, каротиноидов и других реакций, т. е. механизмы
их действия разнообразны, и тем больший интерес заслуживают исследования первичной реакции растений на гербициды разного механизма действия, представленные в литературных источниках.
Производные дипиридилия. «Дик-ват» и «Паракват» относят к гербицидам, разрушающим клеточные мембраны. Для проявления биологической активности молекулам этих гербицидов необходим переход в свободнорадикальное состояние. В результате фотовосстановления молекул гербицидов образуется лавина активных форм кислорода (АФК), что приводит к окислительному стрессу и повреждению растений. АФК вызывают образование малонового диальдегида (МДА), который, в свою очередь, является признаком разрушения мембран и перекисного окисления липидов (ПОЛ) [8].
Производные фосфоновой кислоты. Глифосат оказывал сильное влияние на реакции окислительного стресса и активность антиокси-дантных ферментов у проростков ячменя. Отмечено нарастание интенсивности ПОЛ, о котором свидетельствовало увеличение продукции АФК и количество МДА [6].
Сульфонилмочевины, имидазоли-ноны. «Гранстар» и «Титус» стимулировали образование АФК и МДА во всех исследованных концентрациях, особенно при обработке «Гранстаром» в максимальной дозе 300 мкг/л. Нарастание интенсивности ПОЛ наиболее выражено у чувствительных к ним растений [3, 13].
После обработки растений сои гербицидами «Хармони», 3 г/га, и «Пульсар», 0,5 л/га, наблюдалось уменьшение содержания хлоро-филлов, каротиноидов и возра-
стало количество высокореактивных АФК [10].
Близкую первичную реакцию растений отмечали на действие гербицидов других классов соединений: граминицидов, «Фронтьер», «Мерлин», «Эптам», «Диурон», «Зенкор» и др. [1, 5, 9].
Специфическая реакция растений
Специфичностью в общем смысле называют способность ингибитора воздействовать на какой-либо один процесс в большей степени, чем на другие. Подходы к рассмотрению специфичности могут быть совершенно различными в зависимости от уровня исследований (морфологических, физиологических, биохимических и др.) и точки зрения исследователя.
Специфичность к химическому воздействию чаще всего обусловливали избирательной токсичностью химического вещества на уровне реакции, клетки, ткани, организма. Например, полное подавление роста у сорных растений гербицидами при минимальном воздействии на растения культуры, уничтожение патогенных организмов фунгицидами при незначительном влиянии на организм «хозяина». Часто видовая и тканевая специфичность обусловлена особенностями распределения экзогенного ингибитора в тканях, клетках, органеллах, а также активностью антиоксидантных ферментов или метаболических систем, обусловленной генотипом растения.
Часто определённые химические ингибиторы расцениваются как специфические для данной реакции или комплекса реакций. Так, полагают, что йодацетат ингиби-рует только гликолиз, а препараты мышьяка — исключительно окси-дазы кетокислот. Гербицид «Ди-урон» относят к специфическому ингибитору фотосинтеза, который в настоящее время незаменим в исследованиях энергетики фотосинтеза. Этот тезис справедлив для сравнительно простых систем, например в реакции ингибирования одного или двух ферментов одним
ингибитором в сравнении с другими. Однако в более сложных системах или при рассмотрении клетки либо целого организма специфичность воздействия ингибитора заметно снижается.
Специфичность изменяется в зависимости от концентрации ингибитора. Следует отдавать предпочтение исследованию минимальных концентраций ингибитора. Специфичность ответной реакции растения на токсикант лучше прослеживается при построении зависимости доза — эффект [11].
Специфичность более чётко проявляется при работе с клеточными экстрактами, чем в тканях, так как в экстрактах число реакционных центров относительно невелико. При работе с тканями достаточно высокая специфичность чаще всего недостижима, так как ингибитор способен вступать в реакции с большим количеством реагентов. В этом случае можно говорить об ограниченной, или условной, специфичности [11].
Специфическая ответная реакция должна соответствовать двум условиям её проявления:
— признак специфического действия токсиканта — 50%-ное ин-гибирование им метаболического процесса при низкой концентрации;
— быстрое проявление эффекта на растении после применения токсиканта.
В свете современных представлений специфические реакции проявляются качественно отличающимися изменениями в системах: различные факторы среды — генотип или стресс-фактор — различные генотипы (виды, гибриды, сорта) при выше означенных условиях.
Исследования механизмов адаптации растений к экстремальным факторам среды на уровне сортовой, гибридной или видовой устойчивости не утратили своей значимости и в настоящее время. Специфика ответной реакции наиболее чётко проявляется при длительном и более слабом воздействии кон-
кретного стрессора на растения: различная окраска листьев при несбалансированном минеральном питании, хлороз листьев при химической интоксикации, разрастание головки корнеплода, искривление черешков и листьев сахарной свёклы под действием 2,4-Д и др.
К специфическим воздействиям относят повторяющиеся стрессы в невысоких дозах, приводящие к закаливанию организма, причём закаливание к какому-либо одному стрессу повышало устойчивость организма и к другим повреждающим факторам. Реакция стимуляции роста растений малыми дозами токсикантов, известной под термином «гормезис» (hormesis), отражает качественные изменения действия ксенобиотиков. Этим реакциям уделяется пристальное внимание. Так, показано, что гербицид сплошного действия «Гли-фосат» в дозах 10—20 г д. в. на 1 га увеличивал урожайность ярового ячменя на 10 % [12].
В наших опытах 6 гербицидов из 13 препаратов, проявляющих высокую токсичность на сахарной свёкле, в малых дозах оказывали стимулирующее действие на растения культуры в ранние периоды роста (см. табл.). Гербициды особенно заметно активизировали нарастание биомассы листового аппарата. Наиболее всего выделились «Эсте-рон», «Каллисто» и «Титус».
В отдельные годы отмечали достоверный рост урожайности в вариантах с «Эстероном», «Мерлином», «Каллисто», «Серто Плюс», но из-за нестабильности положительной реакции растений культуры на малые дозы токсикантов в среднем за годы исследований получена лишь тенденция к увеличению урожайности корнеплодов в вариантах с «Эстероном» и «Каллисто» при ручной прополке сахарной свёклы.
При химической прополке посева гербицидами бетанальной группы, граминицидами и другими препаратами стимулирующий эффект от применения малых доз токсич-
ных гербицидов на сахарной свёкле исчезал. В отдельных вариантах отмечено достоверное снижение урожайности корнеплодов. В данном случае эффект гормезиса подавлялся в результате усиления токсичности от смеси действующих веществ.
Причиной этих эффектов является положительное действие малых и сверхмалых доз токсикантов, вызывающих диаметрально противоположные (стимулирующие) изменения по сравнению с большими повреждающими дозами. Клеточные и молекулярные механизмы гормезиса связывают с индукцией антиоксидантных и репаративных систем, активацией иммунной системы и сигнальных путей интенсификации роста.
Реакция на избирательную
токсичность гербицидов
Из вышеизложенного очевиден факт наличия значительной однотипности ответных реакций растений на воздействие гербицидов. В качестве неспецифической реакции растительного организма на воздействие гербицидов рассматривается окислительный стресс, развитие которого зависит от дозы,
особенностей действия и скорости детоксикации препарата в растении, условий среды обитания. Гербициды инициируют генерацию АФК, которые обрушиваются на все системы жизнедеятельности растительной клетки. Каскадное нарастание окислительных реакций особенно характерно для чувствительных к гербицидам растений. Это проявляется в повреждении структуры мембран, усилении ПОЛ, повреждении и разрушении орга-нелл клетки, белков, нуклеиновых кислот, угнетению антиоксидант-ной системы.
Устойчивость растительных организмов к воздействию гербицидов во многом определяется не только состоянием систем дезактивации препарата в растениях, но и дезактивацией радикалов кислорода. У устойчивых растений после окислительного шока раньше активируется антиоксидантная система защиты организма, возрастает активность антиоксидантных ферментов, низкомолекулярных протекторов, синтез стресс-белков. Устойчивые растения отличаются более высоким количеством низкомолекулярных антиоксидантных
Проявление гормезиса на сахарной свёкле под действием малых доз (1 % от полной нормы по списку препаратов), токсичных для культуры гербицидов (2012—2015 гг.)
Варианты Без химической прополки С химической прополкой
Масса растений через две недели после внесения токсиканта: в контроле — г/раст.; в вариантах — отклонение от контроля, % Урожайность: в контроле — т/га; в вариантах — отклонение от контроля, % Урожайность: в контроле - т/га; в вариантах -отклонение от контроля, %
1. Контроль 320 44,7 42,6
2. «Эстерон» + 13,6 +6,2 -7,4
3. «Агритокс» -1,2 -7,6 -12,2
4. «Базагран» +2,2 -4,2 -10,6
5. «Дикамба» +8,4 +2,8 -6,4
6. «Мерлин» +3,6 +6,4 -8,2
7. «Каллисто» + 11,7 +7,3 -14,6
8. «Гранстар» +8,9 -5,2 -6,3
9. «Титус» + 16,5 -3,7 -4,2
10. «Ларен» -4,6 -9,2 -11,6
11. «Евролайтнинг» -7,7 -7,4 -12,4
12. «Серто Плюс» +3,4 +6,6 -5,5
13. «Раундап» +8,7 +2,7 -4,9
НСР05 7,2 7,6 7,6
протекторов или более высокой активностью отдельных защитных ферментов, связанных с особенностями действия токсиканта.
Избирательная специфичность гербицидов проявляется в виде их способности влиять на ключевые процессы метаболизма, регулирующие рост растений.
У чувствительных растений, например, гербициды арилоксифе-ноксипропионаты (граминициды) нарушают синтез жиров. В растениях злаков гербициды перемещаются к местам активного роста — мери-стематическим тканям и, как правило, в первую очередь повреждают сосуды в центре стебля. На срезе в центре стебля образуется серо-чёрное или серо-коричневое пятнышко размером 0,5—3 мм (рис. 1).
Другие гербициды у чувствительных растений изменяют окраску листьев, реже стебля, нарушают баланс гормонов, вызывают гипертрофированное деление ме-ристематических клеток, разрастание каллусной ткани, искривление и утолщение стеблей, листьев, остановку роста (рис. 2).
Заключение
До настоящего времени чёткого определения специфической реакции организма на стресс-фактор не существует. Имеются данные, что малые и сверхмалые воздействия на клетку оказывают неспецифические сходные эффекты, но с более низкой амплитудой изменений. Возможно, что они протекают без активного перекисного окисления
Рис. 1. Симптомы повреждения злаков граминицидами
липидов, так как процессы в системе «воздействие фактора — раздражение — адаптация» при низких концентрациях токсиканта могут проходить по шунтированной схеме за короткое время и с противоположным эффектом.
В целом же неспецифические признаки ответной реакции на неблагоприятные факторы среды являются основополагающими в развитии стресса, получившего название «неспецифический адаптационный синдром».
Список литературы
1. Альберт, Э. Избирательная токсичность / Э. Альберт. — М. : Мир, 1971. — 421 с.
2. Веселова, Т.В. Стресс у растений / Т.В. Веселова, В.А. Веселовский, Д.С. Черновский. - М. : МГУ, 1993. -145 с.
3. Гарькова, А.Н. Обработка гербицидом «Гранстар» вызывает окислительный стресс в листьях злаковых / А.Н. Гарькова [и др.] // Физиология растений. — 2011. — Т. 58. — № 6. — С. 930—943.
4. Генкель, П.А. Физиология жаро- и засухоустойчивости растений / П.А. Генкель. — М. : Наука, 1982. — 280 с.
5. Дворянкин, Е.А. Применение метода спонтанной хемилюминесценции для оценки устойчивости растений к почвенным гербицидам / Е.А. Дворянкин // Сельскохозяйственная биология. — 1983. — № 3. — С. 107—110.
6. Коваль, Е.В. Оценка токсических эффектов метилфосфоновой кислоты по ответным реакциям фототрофных организмов / Е.В. Коваль, Л.С. Свино-лупова, Л.С. Аюшинова, С.Ю. Огород-никова // Теоретическая и прикладная экология. — 2013. — № 1. — С. 89—93.
7. Кузнецов, Вл.В. Физиология растений / Вл.В. Кузнецов, Г.А. Дмитриева. — М. : Высшая школа, 2006. — 742 с.
8. Курганова, Л.Н. Прооксидантно-антиоксидантный статус хлоропластов гороха при действии стрессирующих абиотических факторов среды: 1. Продукция активных форм кислорода и ли-поперексидация / Л.Н. Курганова [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2010. — № 2 (2). — С. 544—549.
9. Мордерер, Е.Ю. Исследование участия свободнорадикальных окислительных реакций в развитии фитотоксиче-ского действия граминицидов / Е.Ю. Мордерер, М.П. Паланица, А.П. Родзе-вич // Физиология и биохимия культур-
Рис. 2. Визуальные признаки специфического действия гербицидов на растения сахарной свёклы: слева направо, верхний ряд — «Гранстар», «Каллисто»; нижний ряд — «Эстерон», «Раундап»
ных растений. — 2008. — Т. 40. — № 1. — С. 56—62.
10. Содержание фотосинтетических пигментов и АФК — активных веществ у растений сои при совместном применении гербицидов и микроудобрений / М.П. Радченко, С.И. Сорокина, Ж.З. Гу-ральчук, Е.Ю. Мордерер // Учёные записки Таврического национального университета им. В.И. Вернандского. Серия : Биология, химия. — 2013. — Т. 26 (65). — № 1. — С. 172—178.
11. Уэбб, Э. Ингибиторы ферментов и метаболизма / Э. Уэбб. — М. : Иностранная литература, 1966. — 862 с.
12. Химический стресс может повышать урожайность культур / Н. Це-дергрин, К. Фэлби, Дж. Портер, Д. Штрайбис // Зерно. - 2010. - № 10. -С. 60-65.
13. Hassan, N.M. Oxidative Stress in Herbicide - Treated Broad Bean and Maize Plants / N.M. Hasson, M.M. Alla // Acta Physiol. Plant. - 2005. - V. 27. - P. 429-438.
Аннотация. Дан краткий обзор специфической и неспецифической реакции растений на гербициды. Приведены экспериментальные данные реакции растений сахарной свёклы на малые дозы токсикантов. Оценена стимуляция роста сахарной свёклы при воздействии малыми дозами различных гербицидов. Отмечен рост урожайности культуры в вариантах с «Эстероном» и «Каллисто» при ручной прополке сорняков на сахарной свёкле. Показана специфика избирательной токсичности гербицидов для растений. Приведённые данные позволяют сделать вывод, что неспецифическая реакция растений на гербициды является основополагающей в развитии стресса. Ключевые слова: специфическая и неспецифическая реакция, гербициды, сахарная свёкла, окислительный стресс, адаптация, визуальные признаки избирательной токсичности.
Summary. The short review of specific and non-specific reaction of plants on herbicides is presented. Experimental data of sugar beet plant reaction on small doses of toxicants have been shown. Sugar beet growth stimulation under the influence of small doses of various herbicides has been estimated. The crop yield increase in the variants with Esteron and Kallisto when using manual weeding of sugar beet has been noted. Specific character of herbicide selective toxicity for plants has been demonstrated. The given data allows concluding that non-specific reaction of plants to herbicides is basic in stress development. Keywords: specific and non-specific reaction, herbicides, sugar beet, oxidative stress, adaptation, visual signs of selective toxicity.
