CC BY
383
Влияние облучения (60Co) семян ячменя на развитие растений на ранних
этапах онтогенеза
Чурюкин Р.С., Г ераськин С.А.
ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Россельхозакадемии, Обнинск
Изучена реакция семян ячменя сорта Нур на облучение ионизирующим излучением 60Co (2-50 Гр) по следующим показателям: энергия прорастания, всхожесть, длина ростка, длина главного корня, число корешков. Оценён диапазон доз, в котором наблюдается стимуляция развития растений на ранних этапах онтогенеза. Изучено влияние мощности дозы Y-излучения, а также срока хранения облучённых семян на проявление эффекта стимуляции.
Ключевые слова; yизлучение, семена, ячмень, стимулирующий эффект, дозовая зависимость.
Введение
Предпосевное облучение семян - это технология, позволяющая повысить экономическую эффективность возделывания сельскохозяйственных культур за счёт ускорения роста и развития растений, сокращения периода вегетации, увеличения урожая, а в некоторых случаях и улучшения его качества (повышенное содержание сахара у сахарной свеклы, белка у зерновых, крахмала у картофеля, полезных алкалоидов у лекарственных растений, витаминов у плодовых и овощных культур). Этот агроприём длительное время разрабатывался в СССР и некоторых зарубежных странах. Многолетние производственные испытания предпосевного облучения семян сельскохозяйственных культур в СССР [9] показали возможность внедрения этого агроприёма в практику сельского хозяйства.
Несмотря на то, что многие вопросы, связанные с радиационной стимуляцией семян растений, были решены в 60-80 годы прошлого века, когда эта технология активно развивалась, для получения устойчивых прибавок урожая и гарантированного улучшения качества продукции необходимы дополнительные исследования, поскольку за прошедшее с 70-х годов время практически полностью сменился набор районированных сортов и культур. Для каждой культуры и районированного сорта необходимо определить оптимальный диапазон доз, мощностей доз и времени между облучением и посевом. От соблюдения этих параметров зависит хозяйственный и экономический эффект предпосевного облучения.
Целями настоящей работы были:
- изучение реакции на облучение семян ячменя сорта Нур в диапазоне доз 2-50 Гр по показателям: энергия прорастания, всхожесть, длина ростка, длина главного корня, число корешков;
- оценка диапазона доз, в котором наблюдается стимуляция развития растений на ранних этапах онтогенеза;
- изучение влияния мощности дозы у-излучения, а также срока хранения облучённых семян на проявление эффекта стимуляции.
Чурюкин Р.С. - аспирант; Гераськин С.А.* - зав. лаб. радиобиологии и экотоксикологии растений, д.б.н., профессор. ВНИИСХРАЭ Россел ьхоза кадеми и.
*Контакты: 249032, Калужская обл., Обнинск, Киевское шоссе, 109 км. Тел.: +7 (48439) 9-69-64; e-mail: [email protected].
Материалы и методы
В качестве объекта исследований были выбраны семена ячменя сорта Нур первой репродукции урожая 2012 г. Облучение семян проводили на установке «ГУР-120» (60Со). Дозу излучения оценивали с помощью дозиметра ДКС-101 (Политехформ-М. Паспортная относительная погрешность измерений 4%, свидетельство о поверке № 41150.2 Б 304).
Семена помещали в бумажные пакеты с площадью поверхности 25 см2. В каждом пакете находилось по 200 семян, 2 пакета на одну дозу. Этот способ гарантирует равномерное распределение дозы, особенно при облучении с низкой мощностью. Мощность дозы регулировалась расстоянием от источника облучения и составляла от 20 до 350 Гр/ч. Для исследования зависимости доза-эффект использовали дозы 2, 4, 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25 и 50 Г р.
Даже небольшие изменения влажности семян могут оказывать влияние на радиобиологическую реакцию проростков [7]. Поэтому для получения воспроизводимых результатов необходим тщательный учёт влажности облучаемых семян. Влажность семян перед облучением определяли по ГОСТу 12041-82 [5]. Использовали метод, основанный на определении потери влаги семенами при высушивании. Семена размалывали в мельнице в течение одной минуты и делали навески по 10 г. Взвешивание навесок производили как в начале работы, так и после высушивания в сушильном шкафу в течение 30 минут при температуре 150 °С. После взвешивания навески доводили до постоянной массы, помещая их обратно в сушильный шкаф один-два раза. Влажность семян определяли как разность в весе до и после инкубации в сушильном шкафу. Во всех случаях влажность семян соответствовала нормам хранения воздушно-сухих семян ячменя и составляла 13-15%. По ГОСТу 28672-90 [6] влажность семян ячменя должна составлять 14,5%.
Облучённые и контрольные семена проращивали в рулонах фильтровальной бумаги согласно ГОСТу 12038-84 [4] и рекомендациям Р.С. Бабаян [1], с модификациями. На полоску полиэтиленовой пленки размером 110x30 см укладывали полоску фильтровальной бумаги размером 100x25 см с отмеченной заранее графитовым карандашом линией на расстоянии 3 см от верхнего края бумаги. Бумагу смачивали дистиллированной водой, после чего укладывали лист кальки ниже отмеченной ранее полосы. Калька не теряет своей формы при намокании и препятствует врастанию корешков проростков в фильтровальную бумагу, что существенно облегчает процедуру оценки параметров роста и развития растения. Твёрдая полиэтиленовая пленка способствует лучшей аэрации семян, благодаря чему все семена прорастают в одинаковых условиях. На размеченную ранее линию укладывали семена ячменя зародышем вниз так, чтобы половина семени была на фильтровальной бумаге, а другая половина - на кальке. Рулон с семенами аккуратно заворачивали, ставили в ёмкость с дистиллированной водой (200 мл) и помещали в термостат или инкубатор, поддерживающий температуру 20 °С.
Эксперимент проводили в четырёх повторностях, 4 рулона по 100 семян на одну дозу. Энергию прорастания семян, характеризующую дружность появления нормальных проростков за установленный срок, оценивали на третий день проращивания, а лабораторную всхожесть
(количество семян, проросших в установленный срок), длину ростка, длину главного корня и число корешков - на седьмой день проращивания.
Для оценки экспериментальных данных использовали параметрические методы статистики: анализ выбросов, проверку выборки на однородность, оценку среднего значения и стандартной ошибки, графический анализ полученных результатов. Для оценки достоверности отличия экспериментальных данных от контроля использовали критерий Стьюдента.
Результаты
В работах [2, 3, 7-10] указано, что стимулирующие дозы при облучении семян ячменя находятся в диапазоне 4-25 Гр. Нами был исследован более широкий диапазон доз - 2-50 Гр. Из полученных результатов следует, что при облучении в дозах 10-20 Гр наблюдается (рис. 1) достоверное увеличение длины корешка. Максимальное увеличение длины корешка (на 11% по сравнению с контролем) зафиксировано при дозе 20 Гр. Длина главного корня у облучённых в дозе 25 Гр семян статистически достоверно не отличается от контроля. Остальные исследованные дозы (2-8 и 50 Гр) ингибируют рост главного корня. Поскольку процессы роста и развития разных органов растения тесно связаны, нет ничего удивительного в том, что увеличение длины ростка наблюдается практически в том же диапазоне (рис. 2), что и длины корешка - 8-20 Гр. Исключение составляет доза 13 Гр, при которой длина ростка практически не отличается (рис. 2) от контроля. Максимальное увеличение длины ростка происходит при той же дозе (20 Гр), что и длины корешка. Дозы 2, 4 и 50 Гр ведут к ингибированию развития растения на ранних этапах онтогенеза по обоим показателям.
Длина корешка, мм
Доза, Гр
* - р <0,05; ** - р <0,01; *** - р <0,001 Рис. 1. Зависимость длины главного корня от дозы у-излучения (60Со).
Длина ростка, мм
Доза, Гр
* - р <0,05; *** - р <0,001 Рис. 2. Зависимость длины ростка от дозы у-излучения (60Со).
Из представленных на рис. 3 данных следует, что исследованные семена характеризуются хорошей всхожестью (85-92%), что является нормой для семян первой репродукции [4]. Причём этот параметр не зависит от дозы в исследованном диапазоне (2-50 Гр). Энергия прорастания также не зависит от дозы и в большинстве исследованных вариантов повторяет тенденции изменения всхожести (рис. 3). Т.е. информативность этого параметра (энергия прорастания) низка и в дальнейших исследованиях стимулирующего действия у-излучения на семена сельскохозяйственных культур от его использования можно отказаться. Число корешков также не зависело (рис. 4) от дозы излучения и составляло 4-6 корешков во всех вариантах эксперимента.
Такие условия облучения как мощность дозы, влажность семян, время между облучением и инициацией прорастания способны существенным образом влиять на ростовые показатели проростков [2, 11]. Действительно, облучение с мощностью дозы 20 Гр/ч не стимулирует развитие главного корня (рис. 5). Незначительное увеличение его длины наблюдалось при дозах 10, 13 и 20 Гр, в то время как облучение в дозах 8 и 16 Гр существенно ингибировало его развитие. Качественно иная картина наблюдается при мощности дозы 55 Гр/ч. В диапазоне доз 10-20 Гр наблюдается (рис. 5) существенное и статистически достоверное увеличение длины корешка с максимумом при дозе 20 Гр. Значительное увеличение мощности дозы облучения семян до 350 Гр/ч ведёт к достоверному угнетению развития корня при всех дозах, за исключением 16 Гр (рис. 5).
% семян
Доза, Гр
* - р <0,05
Рис. 3. Зависимость всхожести и энергии прорастания проростков от дозы у-излучения (60Со).
п корешков
Доза, Гр
Рис. 4. Зависимость числа корешков у проростков от дозы у-излучения (60Со).
* - р <0,05; ** - р <0,01; *** - р <0,001 Рис. 5. Зависимость длины главного корня от мощности дозы у-излучения (60Со).
Мощность дозы 20 Гр/ч в диапазоне доз 8-20 Гр ведёт к достоверному угнетению развития ростка (рис. 6). В то же время, облучение с мощностью дозы 55 Гр/ч практически не ведёт к угнетению его роста. Более того, при всех исследованных дозах, за исключением 13 Гр, наблюдается статистически достоверная стимуляция развития ростка с максимумом при облучении в дозе 20 Гр (рис. 6). Облучение с более высокой мощностью дозы (350 Гр/ч), как и с мощностью дозы 20 Гр/ч, достоверно угнетает развитие проростка.
На рис. 7 представлены данные о зависимости всхожести семян от мощности дозы у-излучения в диапазоне доз 8-20 Гр. Видно, что величина мощности дозы в исследованном диапазоне не оказывает существенного влияния на всхожесть. В целом же, из представленных экспериментальных данных можно сделать вывод, что воздействие на семена у-излучением как при высоких, так и низких мощностях доз ведёт к существенному и статистически достоверному ингибированию развития растений на ранних этапах онтогенеза, в то время, как при воздействии с промежуточной мощностью дозы (55 Гр/ч) излучения наблюдается выраженный стимулирующий эффект.
’ - р <0,05; *** - р <0,001
Рис. 6. Зависимость длины ростка от дозы у-излучения (60Со).
' - р <0,05
Рис. 7. Всхожесть семян в зависимости от мощности дозы у-излучения (60Со)
Важным параметром, влияющим на проявление эффекта стимуляции, является время между облучением и инициацией прорастания семян. В рекомендациях по предпосевному облучению предлагают высевать семена сразу после облучения [9]. Однако это правило действует не всегда. Так, если облучённые в дозах 8-20 Гр с мощностью дозы в 350 Гр/ч у-излучения семена проращивать через 7 суток после облучения, то ингибирование роста главного корня сменяется на его стимуляцию (рис. 8). Интересно отметить, что зависимость длины главного корня от дозы при разных сроках инициации прорастания имеет одну и ту же форму. Достоверно различается лишь абсолютная величина исследуемого параметра. В противоположность выявленным при анализе длины главного корня закономерностям, время хранения семян после воздействия излучением с мощностью дозы 350 Гр/ч практически не повлияло на длину ростка (рис. 9). В обоих исследованных случаях она остается достоверно ниже контрольного уровня.
Длина корешка, мм
0 дней хранения
■7 дней хранения
170
145
165
160
155
150
0
5
10
15
20 Доза, Гр
Рис. 8. Зависимость длины главного корня от времени хранения семян после облучения (60Со, мощность дозы 350 Гр/ч).
Рис. 9. Зависимость длины ростка от времени хранения семян
после облучения (60Со, мощность дозы 350 Гр/ч).
Обсуждение
При анализе механизмов стимуляции и/или ингибирования в облучённом семенном материале необходимо учитывать закономерности развертывания генетической информации во время прорастания семян (рис. 10), ключевые стадии развития семени и эффекты облучения на каждой из этих стадий. Семя представляет собой своеобразное состояние растения, в котором практически полностью подавлен метаболизм [14], что связано с его основной функцией - сохранить и передать следующим поколениям генетическую программу развития. Так как большинство метаболических реакций осуществляется в водной среде, проникновение в семя воды является важным событием, запускающим процесс прорастания. Для осуществления метаболизма нужна энергия, источником которой служат гликолиз и дыхание. Начинается мобилизация питательных веществ - жиров, белков и полисахаридов. Это нерастворимые, медленно мигрирующие сложные органические вещества. В процессе набухания семян с помощью соответствующих ферментов происходит преобразование их в растворимые соединения, используемые для питания зародыша. Частично необходимые ферменты находятся в эндосперме или зародыше в связанном, неактивном состоянии. В ходе набухания они переходят в активное состояние. Другая часть ферментов синтезируется с матричных РНК (мРНК), которые были транскрибированы с ДНК еще в период эмбриогенеза. Продукты этих реакций запускают каскад событий, направленных на перевод глубоко репрессированного генома клеток зародыша в актив-
ное состояние. Дерепрессия генома дает начало ключевым процессам метаболизма - усиливается синтез нуклеиновых кислот, белков, увеличивается активность многих ферментов и поступление в растения элементов питания, растет содержание фитогормонов-активаторов роста: ауксинов, гиббереллинов и цитокининов, управляющих процессами роста и развития растений [13, 14].
Поступление
н2о, о2
Гидратация
Осмос
Дыхание
Гликолиз
Активация генома
Ф
Синтез de novo_____
мРНК
I
Синтез белков de novo
Переход запасенных ферментов в активное состояние Образование ферментов de novo с запасенных РНК — матриц
Накопление
АТФ
------->
Увеличение концентрации фитогормонов (ауксины, гиббереллины, цитокинины)
і
Активация деления клеток зародыша
Рис. 10. Концептуальная модель развертывания генетической информации
во время прорастания семян.
Исходя из представлений о молекулярных механизмах роста и развития клетки, можно выделить (рис. 11) основные внутриклеточные мишени, воздействие на которые ионизирующего излучения способно ускорить процесс прорастания. Прежде всего, это геном - уникальный управляющий комплекс, от которого зависит функционирование всех систем клетки, и биомембраны, регулирующие приток питательных веществ, выработку энергии и синтез важнейших компонентов клетки. Поглощённая семенами энергия ионизирующего излучения преобразуется, главным образом, в свободные радикалы, длительно существующие в воздушно-сухих семенах и быстро вступающие в реакцию с образованием сильных окислителей-гидроперекисей и радикала гидроксила при поступлении в семя воды и кислорода [11]. Активные формы кислорода, воздействуя на геном и биомембраны, ускоряют перевод глубоко репрессированного генома клеток зародыша в активное состояние. Таким образом, облучение в стимулирующих дозах не меняет генетическую программу развития растения. Но излучение в этих дозах достаточно для воздействия на регуляторные системы растения и ускорение реализации программы развития. Результатом этих процессов является ускорение прохождения первых фаз онтогенеза, сокращение сроков созревания, что в благоприятных условиях ведёт к увеличению урожая и улучшению его качественных характеристик.
Усиление активности деления клеток и увеличение относительного прироста корня при облучении семян в стимулирующих дозах наблюдается, как правило, лишь на протяжении первых 4-6 суток. К периоду выравнивания скорости роста это обуславливает увеличение длины
корня гороха и кукурузы на 4-5 см при длине корня необлученных проростков 10-12 см [8]. Примерно в такой же степени стимулируется и рост побега. Сохранение растениями полученного на начальных стадиях онтогенеза преимущества до конца вегетационного периода зависит от многих факторов. При этом часто остается невыясненным, каким образом формируются кратковременные и пролонгированные стимулирующие эффекты облучения.
Рис. 11. Основные внутриклеточные мишени, воздействие на которые ионизирующего излучения ускоряет процесс прорастания семян.
При анализе эффектов стимуляции обращает на себя внимание системный характер реакции на облучение: стимуляция распространяется на многие аспекты жизни растений [11, 12]. В силу системного характера реакции стимуляции её проявление существенным образом зависит от условий выращивания растений. В полевых условиях, когда семена часто высеваются в недостаточно влажную почву, стимулированные проростки с более длинным корнем оказываются лучше обеспечены водой и питательными веществами. И чем продолжительней период засушливых условий, тем значительнее проявится стимуляция роста, большими будут различия в прохождении фаз развития и урожае.
Возможность повышения чувствительности растений, выросших из облучённых в стимулирующих дозах семян, к разным повреждающим факторам может вести к снижению их продуктивности. Так, если облучённые в стимулирующих дозах семена, попадая в открытый грунт, подвергнутся воздействию нередких в весенний период заморозков, это приведёт к большему их повреждению и снижению урожая. Поэтому при внедрении технологии предпосевной обработки семян в практику сельского хозяйства следует обращать внимание не только на выбор доз облучения, но и на условия выращивания растений, при которых обеспечивается формирование пролонгированных эффектов облучения.
Заключение
Таким образом, в настоящем исследовании изучена реакция на облучение семян ячменя сорта Нур в диапазоне доз 2-50 Гр по следующим показателям: энергия прорастания, всхожесть, длина ростка, длина главного корня, число корешков. Оценён диапазон доз (10-20 Гр), в котором наблюдается стимуляция развития растений на ранних этапах онтогенеза. Показано, что воздействие на семена у-излучением как при высоких, так и низких мощностях доз ведет к существенному и статистически достоверному ингибированию развития растений, в то время, как при воздействии с промежуточной мощностью дозы (55 Гр/ч) излучения наблюдается выраженный стимулирующий эффект. Изучено влияние срока хранения облучённых семян на проявление эффекта стимуляции. Показано, что зависимость длины главного корня от дозы при разных сроках инициации прорастания имеет одну и ту же форму, достоверно различается лишь абсолютная величина исследуемого параметра.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (контракт № 14.512.11.0059).
Литература
1. Бабаян Р.С. Проращивание семян в рулонах из фильтровальной бумаги и полиэтиленовой пленки //Сельскохозяйственная биология. 1981. № 3. С. 473-475.
2. Березина Н.М. Предпосевное облучение семян сельскохозяйственных растений. М.: Атомиздат, 1964. 212 с.
3. Васильев И.М. Действие ионизирующих излучений на растения. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 224 с.
4. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Взамен ГОСТ 12038-66. Введ. 01.09.1986. Межгосударственный стандарт. Стандарты на методы контроля. 2002. 28 с.
5. ГОСТ 12041-82. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения влажности. Взамен ГОСТ 12041-66. Введ. 01.07.1983. Межгосударственный стандарт. 2004. 6 с.
6. ГОСТ 28672-90. Ячмень. Требования при заготовках и поставках. Взамен ГОСТ 16470-84; ГОСТ 637884; ГОСТ 7510-82; ГОСТ 25344-82; ГОСТ 25345-82. Введ. 01.06.1997. Межгосударственный стандарт. 2011. 6 с.
7. Гродзинский Д.М. Радиобиология растений. Киев: Наукова думка, 1989. 384 с.
8. Гудков И.Н. Основы общей и сельскохозяйственной радиобиологии. Киев: Изд-во УСХА, 1991. 328 с.
9. Каушанский Д.А., Кузин А.М. Радиационно-биологические технологии. М.: Энергоатомиздат, 1984. 148 с.
10. Кузин А.М. Стимулирующее действие ионизирующего излучения на биологические процессы. М.: Атомиздат, 1997. 132 с.
11. Кузин А.М., Каушанский Д.А. Прикладная радиобиология. М.: Энергоиздат, 1981. 224 с.
12. Левин В.И. Изменение эффекта радиостимуляции в зависимости от доз гамма-излучения и сроков хранения облучённых семян: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Москва, 1986. 21 с.
13. Лутова Л.А., Ежова Т.А., Додуева И.Е., Осипова М.А. Генетика развития растений. СПб.: Наука,
2010. 539 с.
14. Penfield S., King J. Towards a systems biology approach to understanding seed dormancy and germination //Proc. R. Soc. B. 2009. V. 276. P. 3561-3569.
Effect of y-irradiation on development of barley seeds in early stages of ontogeny
Churyukin R.S., Geras’kin S.A.
Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology, Russian Academy of Agricultural Sciences, Obninsk
The response of barley seeds of Nur variety to y-irradiation at doses of 2-50 Gy estimated by germination energy, germination, sprout length, the main root length and the number of roots was investigated. Stimulation of plant growth in early stages of ontogeny was observed in the dose range of 10-20 Gy and at dose rate of 55 Gy/h. The effect of dose rate and period of retention of irradiated seeds on manifestation of stimulation was investigated.
Keywords: gamma-irradiation, seeds, barley, stimulating effect, dose-response relationship.
Churyukin R.S. - Postgraduate Student; Geras'kin S.A.* - Head of Lab., D. Sc., Biol., Prof. RIARAE.
•Contacts: Kievskoe Sh., 109 km, Obninsk, Kaluga region, Russia, 249032. Tel.: +7 (48439) 9-69-64; e-mail: [email protected].
