CC BY
188
УДК 633.1:631.531.027.2:632.122.1
ВЛИЯНИЕ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТЫ НА СОЛЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ СОРТА CHAM-6
ИБРАГИМ АССАФ
(Университет Аль-Фурат, г. Дейр аль-Зур, Сирийская Арабская Республика)
Для оценки влияния салициловой кислоты и КаС1 на растения пшеницы сорта СИаш-б были исследованы ростовые реакции, а также ряд биохимических показателей: активность рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы (РБФК), содержание фотосинтетиче-ских пигментов и сахаров. В условиях засоления наблюдали существенное ингибирование ростовых процессов, снижение активности РБФК, содержания пигментов, а также углеводов. Обработка растений раствором салициловой кислоты снижала негативное действие КаС1 на растения. Применение салициловой кислоты на растениях пшеницы в условиях засоления может стимулировать их солеустойчивость путем ускорения процессов фотосинтеза и углеводного обмена.
Ключевые слова: пшеница, засоление, салициловая кислота, РБФК.
Существенное увеличение урожайности с.-х. культур за последние десятилетия в значительной степени достигнуто за счет химизации, механизации и мелиорации сельского хозяйства, что привело к возникновению экологических проблем, связанных с истощением энергетических ресурсов, возрастанием затрат на единицу продукции и с загрязнением окружающей среды. Особую тревогу вызывает увеличение в почвах содержания солей, которое в ряде случаев происходит в том числе и в результате искусственного орошения [5]. Около 322,9 х 106 га на планете имеют повышенное содержание солей, количество засоленных почв с каждым годом возрастает [29].
Стрессовые факторы окружающей среды, такие как засоление и засуха, ведут к сокращению роста и урожайности с.-х. культур в значительно большей мере, чем другие факторы [17]. Увеличение содержания солей в почвах постепенно снижает их плодородие. Решение данной проблемы во многом зависит от разработки рациональных агротехнических мероприятий и использования толерантных к засолению с.-х. культур. Получение и использование таких культур невозможно без понимания действия засоления на растения, а также физиологических процессов, лежащих в основе солеустойчивости. Поэтому исследование физиологических основ соле-устойчивости имеет исключительно важное значение [6].
Вредное действие засоления имеет комплексный характер и обусловлено как нарушением осмотического баланса клетки, что негативно сказывается на водном режиме растений, так и прямым токсическим влиянием ионов на физиологические и биохимические процессы в клетке [9]. В ответ на возрастание уровня засоления наблюдается значительное снижение показателей роста, таких как площадь листьев, сухая масса корней и побегов [7]. Так, затопление и обработка морской водой при-
вели к снижению содержания каротиноидов в проростках пшеницы, а также к снижению содержания хлорофилла и фотосинтетической активности (реакция Хилла и ассимиляция 14CO2) [12]. В условиях засоления установлено снижение активности рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы (РБФК) в растениях пшеницы [12]. В свою очередь, снижение активности РБФК привело к снижению количества углеводов [7].
Салициловая кислота (СК) оказывает существенное воздействие на различные биологические процессы в растениях, подавляя одни и стимулируя другие [31]. Имеются основания рассматривать СК как фенольное соединение со свойствами фитогормона, способное функционировать в растении в качестве компонента сигнальных систем клеток, ответственных не только за формирование фитоиммунитета, но и за адекватный ответ на действие абиотических стрессоров [26]. Полученные данные не всегда однозначны. Так, например, различные концентрации ацетилсалициловой кислоты, по всей видимости, действуют в листьях Phaseolus vulgaris в качестве вещества, препятствующего избыточной транспирации, и блокируют открытие устьиц в эпидермисе Commelina communis [20, 21]. В то же время установлено, что салициловая кислота препятствует закрытию устьиц, вызванному абсцизовой кислотой (АБК) [30].
Было установлено непосредственное влияние салициловой кислоты на урожайность различных видов с.-х. культур: увеличение урожайности и количества бобов наблюдается у маша [34] и Phaseolus vulgaris [19, 32]. Использование СК привело к торможению синтеза этилена, деполяризации мембран, стимулированию фотосин-тетической активности, увеличению содержания хлорофилла, а также блокированию ответной реакции на повреждения у растений соевых бобов [22]. Недавно было установлено, что салициловая кислота необходима для приобретения устойчивости индуцируемых систем против некоторых патогенных инфекций [13]. С помощью экзогенной СК удалось индуцировать устойчивость растений к осмотическому и солевому стрессам. СК повышала засухоустойчивость проростков пшеницы [4]. Установлено, что предпосевная обработка семян пшеницы СК способствовала снижению потерь воды и уменьшению проницаемости клеточных мембран в условиях водного дефицита [3]. Экзогенная СК уменьшала последствия водного стресса и для растений подсолнечника [16]. При воздействии солей на проростки пшеницы СК уменьшала потенциальную опасность солевого стресса [2].
Целью настоящей работы явилось изучение вопроса о том, может ли салициловая кислота снизить отрицательное влияние засоления на ранних этапах онтогенеза растений пшеницы и тем самым увеличить ее солеустойчивость.
Материалы и методы
Семена пшеницы Triticum vulgare L. сорта Cham-6 былы получены из сельскохозяйственного научно-исследовательского центра Дейр Аль-Зурской области Сирийской Арабской Республики. Перед посевом семена были стерилизованы раствором фитофакса в концентрации 1 г/л в течение пяти минут и тщательно промыты дистиллированной водой. Посев проводили в полиэтиленовые сосуды с внутренним диаметром 25 см, набитые 5 кг песчаного субстрата. Густота стояния — 4 растения на сосуд. Орошение проводили с использованием 0,5 н. питательного раствора Хогланда [15] без добавления или, начиная с 14 дней от всходов, с добавлением раствора NaCl (50, 100 и 150 мМ) в течение 10 дней. Перед обработкой при приготовлении рабочего раствора СК сначала растворяли в нескольких каплях этанола и доводили до конечного объема дистиллированной водой. Растения опрыскивали в фазе
третьего листа однократно, в утренние часы. Повторность четырехкратная, полный факторный эксперимент.
Все измерения и учеты проводили спустя 10 дней после применения СК (20 дней после начала воздействия растворов соли). Половина образцов была использована для получения данных о показателях роста, другая половина была доведена в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре 82±2°С, а затем измельчена до состояния порошка. Определяли сухую массу и фракционный состав сахаров, содержание пигментов и активность РБФК. Активность РБФК определяли по методике [23]. Оценку содержания пигментов проводили по методу [27] в 80%-м ацетоновом экстракте на колориметре при длине волны 452, 644 и 655 нм. Для определения сахаров был использован метод [28]; растительная вытяжка после добавления раствора молибдата мышьяка образовывала окрашенный раствор, который анализировали при 700 нм. Данные были проанализированы статистически с использованием программы статистического анализа М^ТАТ С. В таблицах приведены средние и показатели наименьшей существенной разности.
Результаты и их обсуждение
Использование в опыте различных концентраций №С1 отрицательно сказалось на характере роста растений пшеницы (длине побегов и корней, сырой и сухой массе побегов и корней и площади листьев) по сравнению с контрольными растениями (табл. 1). Эти результаты согласуются с данными [14] о том, что засоление приводит
Т а б л и ц а 1
Действие засоления и салициловой кислоты на ростовые процессы в растениях пшеницы ОИат-б
Концентра- Концентра- Площадь Длина, см Сырая масса, г Сухая масса, г
ция ЫаС!, мМ ция СК, М листьев, см2 побеги корни побеги корни побеги корни
0 145,97 33,47 10,38 12,67 3,13 2,84 0,29
50 137,72 33,10 10,08 11,80 2,97 2,71 0,26
100 0 127,22 28,97 8,22 10,43 2,85 2,45 0,24
150 121,22 23,95 5,77 8,21 2,31 2,04 0,18
х 133,03 29,87 8,61 10,78 2,81 2,51 0,24
0 156,96 34,02 11,29 14,01 4,18 3,20 0,44
50 148,09 33,64 10,96 13,05 4,21 3,06 0,40
100 10-6 136,81 29,45 8,94 11,54 3,81 2,78 0,37
150 130,36 24,35 6,29 9,10 3,11 2,32 0,30
х 143,05 30,36 9,37 11,93 3,83 2,84 0,38
0 162,47 35,01 12,33 15,40 5,40 3,36 0,58
50 158,72 33,71 12,00 14,44 6,00 3,11 0,65
100 10-4 151,22 33,13 10,89 13,48 4,37 2,92 0,38
150 146,72 28,96 7,57 11,62 3,70 2,59 0,34
х 154,78 32,70 10,70 13,74 4,87 3,00 0,49
№С! 3,17 1,96 1,89 1,81 0,8 0,89 0,04
НСР и СК 2,94 1,81 1,84 1,82 0,94 0,87 0,04
№С! ■ СК 3,42 2,11 2,05 2,01 1,02 0,96 0,05
к заметному снижению показателей роста (площади листьев, сырой и сухой массы побегов и корней) у растений кукурузы. В нашем эксперименте растения пшеницы, обработанные СК, оказались более устойчивыми к засолению. Такое повышение солеустойчивости подтверждается увеличением показателей роста: сырой и сухой массы побегов и корней, длины побегов и корней, а также увеличением листовой поверхности по сравнению с растениями, обработанными только №С1 (см. табл. 1). Похожее усиление роста побегов и корней в ответ на обработку СК наблюдалось у растений огурца [36]. В работе [33] также показано, что обработка СК способствует увеличению площади листьев у растений пшеницы, что согласуется с нашими результатами.
Данные, представленные в таблице 2, показывают, что активность ключевого фермента фотосинтеза РБФК у растений пшеницы значительно уменьшилась в условиях засоления №С1 по сравнению с контролем. Этот результат согласуется с результатами исследований многих авторов, например [38], которые показали, что содержание РБФК в условиях засоления было ниже, чем у контрольных растений, вследствие чего интенсивность фотосинтеза у растений кукурузы значительно сни-
Т а б л и ц а 2
Физиолого-биохимические показатели проростков пшеницы под воздействием салициловой кислоты и ИаО! разных концентраций
Концентрация ЫаС1, мМ Концентрация СК, М Активность РБФК *пКаМг сырой массы Углеводы, мг/г сухой массы Хлорофилл а, мг/г сырой массы Хлорофилл Ь, мг/г сырой массы Кароти- ноиды, мг/г сырой массы
поли- саха- риды раство- римые сахара всего
0 14,0 181,8 79,12 260,92 3,63 1,69 0,95
50 12,0 174,42 85,13 259,55 3,26 1,44 0,69
100 0 9,0 155,92 95,33 251,25 2,66 0,99 0,47
150 6,0 147,59 104,23 251,82 1,68 0,86 0,29
х 10,3 164,93 90,95 255,89 2,81 1,25 0,60
0 16,0 189,41 77,95 267,36 4,66 2,24 1,61
50 13,0 180,81 82,55 263,36 4,08 1,93 1,30
100 10-6 11,0 164,59 87,60 252,19 3,50 1,40 1,07
150 9,0 153,79 94,32 248,11 2,75 1,20 0,76
х 12,3 172,15 85,60 257,75 3,75 1,69 1,18
0 21,0 199,89 73,09 272,98 5,32 2,75 1,73
50 19,0 191,73 77,52 269,25 4,51 2,38 1,39
100 10-4 15,0 178,16 82,37 260,53 3,97 1,78 1,12
150 12,0 162,5 88,83 251,33 3,43 1,50 0,82
х 16,8 183,07 80,45 263,52 4,31 2,10 1,26
№С1 1,85 2,44 1,94 2,83 0,19 0,18 0,16
НСР 01 СК 1,95 2,36 1,91 2,93 0,21 0,19 0,15
№С1 ■ СК 2,01 2,71 1,99 2,98 0,24 0,21 0,19
* Моі/бєс х 10-9.
зилась. Другие исследователи установили, что дефицит воды приводил к снижению содержания РБФК в листьях сахарного тростника [11] и ячменя [8]. Салициловая кислота в двух использованных концентрациях отдельно или в сочетании с засолением значительно стимулировала активность РБФК у всех растений (см. табл. 2). Следует заметить, что при использовании кислоты большей концентрации активность РБФК возрастала. В работе [23] также показано, что СК повышает фотосинтетиче-скую активность листьев растений яблони.
Содержание пигментов фотосинтеза (хлорофиллов а и Ь и каротиноидов) у растений пшеницы в условиях засоления КаС1 было значительно ниже, чем у контрольных (см. табл. 2). Похожее торможение биосинтеза хлорофилла в результате засоления было также обнаружено у растений сорго [10]. У растений пшеницы, обработанных СК, наблюдалось более высокое содержание пигментов, чем у контрольных или обработанных №С1 (см. табл. 2). Увеличение содержания пигментов в ответ на обработку СК разные авторы наблюдали также на растениях сои [1] и кукурузы [35].
Обобщая результаты предыдущих исследований, можно отметить, что они подтверждают наши выводы. В условиях засоления на фоне увеличения концентрации раствора КаС1 происходило постепенное увеличение содержания растворимых сахаров, в то время как противоположная тенденция наблюдалась в отношении концентрации полисахаридов (см. табл. 2). Повышение содержания моносахаров можно рассматривать как процесс адаптации к условиям засоления, направленный на восстановление осморегуляции в растениях. Использование СК привело к значительному снижению содержания растворимых сахаров по сравнению с контрольными растениями, в основном за счет активизации ростовых процессов. В то же время она повысила содержание полисахаридов по сравнению с растениями в условиях засоления и контролем (см. табл. 2). Немаловажно, что содержание растворимых сахаров находится в обратнопропорциональной зависимости от уровня концентрации СК, чего нельзя сказать о полисахаридах.
Повышение содержания растворимых сахаров в условиях солевого стресса наблюдали и на растениях томата [26]. Предполагается, что применение СК может активировать расход растворимых сахаров в процессе метаболизма с образованием новых клеточных компонентов в качестве механизма для стимулирования роста растений [18]. Применение СК, по всей видимости, способствует подавлению деятельности полисахарид-гидролазной ферментной системы, с одной стороны, и/или ускорению включения растворимых сахаров в полисахариды — с другой. Наше предположение может быть подтверждено выводом о том, что использование СК привело к снижению содержания растворимых сахаров. В связи с этим авторы [24] предположили, что опрыскивание салициловой кислотой листьев кукурузы на свету приводит к снижению в них уровня растворимых сахаров.
Выводы
1. В условиях засоления №С1 у растений пшеницы наблюдали торможение ростовых процессов, связанное с уменьшением их массы и площади листьев; содержание фотосинте-тических пигментов, углеводов также снижалось на фоне резкого уменьшения активности ключевого фермента фотосинтеза рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы.
2. Обработка растений пшеницы салициловой кислотой способствовала восстановлению их ростовой активности и фотосинтетической деятельности в условиях засоления, что свидетельствует о ее адаптогенном действии в условиях абиотического стресса.
3. Повышение солеустойчивости растений пшеницы под действием салициловой кислоты может быть связано с интенсификацией их фотосинтеза и углеводного обмена.
1. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Салициловая кислота и устойчивость растений к абиотическим стрессорам // Вестник Харковского национального аграрного университета. Серия биология, 2009. Вып. 2, l7. С. 19-З9.
2. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Мусатенко Л. И. Участь активних форм кисню в індукуванні солестійкості проростків пшениці саліциловою кислотою // Доп. НАН України, 2007. № б. С. l54-l58.
3. Маменко Т.П., РоїкЛ.В. Вплив саліцилової кислоти на активність антиоксидантних процесів в озимої пшениці за умов різного водозабезпечення // Физиология и биохимия культ. Растений, 200S. Т. 40. № l. С. б9-77.
4. Agarwal S., Sairam R.K., Srivastava G.C., Meena R.C. Changes in antioxidant enzymes activity and oxidative stress by abscisic acid and salicylic acid in wheat genotypes // Biol. Plant, 2005. V. 49, № 4. P. 54l-550.
5. Arzani A. Improving salinity tolerance in crop plants: abiotechnological view. Vitro Cell. Dev. // Biol. Plant, 200S. 44: З7З-З8З.
6. Ashraf M. Some important physiological selection criteria for salt tolerance in plants. Flora, 2004.l99: З61-З76.
7. Ashrafuzzaman M., Khan M.A.H., Shahidullah S.M. Vegetative growth of maize (Zea mays) as affected by a range of salinity // CropRes. Hisar, 2002. 24: 286-91.
S. Bray E.A. Plant responses to water deficit. Trends Plant Sci., l997. V. 2. P. 48-54.
9. Chaparzadeh N., Khavari-Nejad R.A., Navari-Izzo F., Izzo А. Water relations and ionicbalance Calendula oficinalis L. under salinity conditions // Agrochimica, 200З. 47: 69-79.
10. Dela-Rosa I.M., Maiti R.K. Biochemical mechanism in glossy sorghum lines for resistance to salinity stress // J. Plant Physiol, l995. l46: 5l5-9.
11. Du Y.C., NoseА., WasanoК., Ushida Y. Responses to water stress of enzyme activities and metabolite levels in relation to sucrose and starch synthesis, the Calvin cycle and the C4 pathway in sugarcane (Saccharum sp.) leaves // Australian J. Plant Physiol, l99S. 25:25З-60.
12. El-Shihaby O.A., Alla M.M.N., Younis M.E., El-Bastawisy Z.M. Effect of kinetin on photosynthetic activity and carbohydrate content in waterlogged or sea-water treated Vigna sinensis and Zea mays plants // Plant Biosyst, 2002ЛЗ6: 277-90.
13. Gaffney T., Friedrich L., Vernooij B., Negrotto D., Nye G., Uknes S., Ward E., Kess-man H., Ryals J. Requirement of salicylic acid for the induction of systemic acquired resistance. Sci., l993. 26l: 754-6.
14. Hasegawa P.M., Bressan R.A., Zhu J.K., Bohnert H.J. Plant cellular and molecular response to high salinity // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol, 2000. 5l: 463-499.
15. HoaglandD.R., Arnon D.I. The water culture method for growing plants without soil // California Agri. Exp. Stat. Circ, l950. 347: 32.
16. HussainM., MalikM.A., FarooqM. Improving drought tolerance by exogenous application of glycinebetaine and salicylic acid in sunflower // J. Agron. Crop Sci., 200S. V l94. P. l93-l99.
17. Karakas B., Ozias-Akins P., Stushnoff C., SuefferheldM., Rieger M. Salinity and drought tolerance of mannitol accumulating transgenic tobacco // Plant Cell Environ, l997. 20: 609-l6.
lS. Khodary S.E.A. Effect of Salicylic Acid on the Growth, Photosynthesis and Carbohydrate Metabolism in Salt Stressed Maize Plants // Int. J. Agri. Biol., 2004. Vol. 6. № l: 5-S.
19. Lang O.F.P. Reguladores del crecimieno VIII. C.P. Montecillo, l9S6.
20. Larque-Saavedra A. Stomatal closure in response to acetalsalicylic acid treatment // Pflanzenphysiol, l979. 93: 37l-5.
21. Larque-Saavedra A. The antitranspirant effect of acetylsalicylic acid on Phaseolus vulgaris // Physiol. Plant, l97S. 43: l26-S.
22. Leslie C.A., Romani R.J. Inhibition of ethylene biosynthesis by salicylic acid // Plant Physiol., l9SS. SS: S33-7.
23. Liu C., Zhan J., Yuan-Yong, Yu-Cuibin B., Yu-Long F. Effects of salicylic acid on the photosynthesis of apple leaves. Acta Hort. Sinica, l999. 26: 26l-2.
lOl
24. Ma J., Yuan Y., Ou J. е( al. Influencing of salicylic acid on roots of rice plants at NaCl-stress // J. Wuhan Univ. Natur. Sci. Ed., 2006. V. 52. № 4. P. 471-474.
25. Maria E.B., Jose D.A., Maria C.B., Francisco P.A. Carbon partitioning and sucrose metabolism in tomato plants growing under salinity // Physiol. Plant, 2000. 110: 503-11.
26. Martinez C., Baccou J.-C., Bresson E. еt al. // Plant Physiol., 2000. V. 122. № 3. P. 757-766.
27. Metzner H., Rau H., Senge H. Untesuchungen zur synchronisierbarteit einzeluer pigmen-tan angel mutanten van chlorella // Planta, 1965.65: 186-90.
28. Naguib M.I. Effect of sevin on the carbohydrate and nitrogen metabolism during germination of cotton seeds // Indian J. Expt. Biol., 1964, 11: 149-52.
29. Parida A.K., Das A.B. Salt tolerance and salinity effects on plants: A Rev. Ecotoxicol. Environ. Safety, 2005.60: 324-349.
30. Rai V.K., Sharma S.S., Sharma S. Reversal of ABA-induced stomatal closure by phenolic compounds // J. Exp. Bot., 1986.37: 129-34.
31. Raskin I. Role of salicylic acid in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1992. 43: 439-63.
32. Rendon S.L.A. Control hormonal de la abscisin de organos reproductivos en Phaseolus vulgaris L. cv. Tesis de Maestria en ciencias. C.P. Chapingo. Mexico. Cacahuate, 1983. 72.
33. Singh B., Usha K. Salicylic acid induced physiological and biochemical changes in wheat seedlings under water stress // Plant Growth Regul., 2003. V. 39. № 2. P. 137-141.
34. Singh G., Kaur M. // Indian J. Plant Physiol., 1980. 23: 366-70.
35. Sinha S.K., Srivastava H.S., Tripathi R.D. Influence of some growth regulators and cations on inhibition of chlorophyll biosynthesis by lead in Maize // Bull. Env. Contamin. Toxic., 1993. 51: 241-6.
36. Sun Y., Wang Y.-J. Cushion influence of salicylic acid on photooxidative stress at cucumber plantlets // J. Northwest Sci-Tech Univ. Agr. Forest. Natl. Sci. Ed., 2004. V. 32, № 5. P. 38-40.
37. Vu J.C.V, Allen J.R., Boote K.T., Bowes G. Elevated CO2 and temperature effects on the photosynthesis and rubisco of rice and soybean // Plant Cell Env., 1997. 20: 68-76.
38. Wattana P., Monica A.M. Water deficit effect on raffinose family oligosaccharide metabolism in coleus // Plant Physiol., 1999.121: 987-93.
Рецензент — д. б. н. И.Г. Тараканов
SUMMARY
To estimate the effect of both salicylic acid and NaCl on wheat variety Cham-6, plant growth response and several biochemical parameters (activity of ribulose - 1.5-bisphosphate carboxylase (RBFC), photosynthetic pigment content and carbohydrate level) have been studied. NaCl has been found to reduce significantly all growth factors, Rubisco activity, pigment and sugar content in plants. Treating plants with salicylic acid solution reduces negative effect of NaCl on plants. Salicylic acid application has been found to stimulate salt- resistance in wheat by activating both photosynthetic processes and carbohydrate metabolism.
Key words: salinization of soil, wheat, salicylic acid, RBFC.
Ибрагим Ассаф - доктор наук, профессор. Эл. почта: ibr [email protected]
