Эколого-физиологические реакции растений пшеницы и ячменя на изменение температурно-влажностного режима
На правах рукописи
ИВАНОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ И ЯЧМЕНЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ
ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Специальность
03.00.16 – Экология
03.00.12 - Физиология и биохимия растений
УФА – 2006
Работа выполнена в лаборатории физиологии растений Института биологии УНЦ РАН
Научный руководитель: доктор биологических наук Фархутдинов Рашит Габдулхаевич
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Веселов Станислав Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Зялалов Абдуллазян Абдулкадырович доктор биологических наук, профессор Хазиахметов Рашит Мухаметович
Ведущая организация Институт биологии Коми НЦ РАН
Защита диссертации состоится 19 декабря 2006 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета КМ 002.136.01 при Институте биологии УНЦ РАН Адрес:
450054, Уфа, ул. Пр. Октября
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УНЦ РАН.
Автореферат разослан _
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Р.В. Уразгильдин Актуальность. Поддержание оводненности тканей растений – одно из необходимых условий выживания растений и их приспособления к факторам окружающей среды. Сложность выполнения этого условия обусловлена тем, что большинство наземных растений теряет огромное количество воды за счет транспирации (за один час растения могут испарять количество воды, равное их весу) (Зялалов, 2004). Ограничение потерь воды за счет закрытия устьиц представляется рациональным решением данной проблемы. Поэтому не удивительно, что многочисленные исследования в области водного обмена были направлены на изучение регуляции устьичной проводимости (Tardieu, Davies, 1993;
Matzner, Comstock, 2001;
De Silva et al., 1985;
Davies, Zhang, 1991;
Gowing et al., 1993;
Mansfild, McAinsh, 1995). В частности была предпринята попытка отбора растений на засухоустойчивость по их способности быстро накапливать АБК и закрывать устьица (Quarrie, 1999).
Однако закрытие устьиц нарушает газообмен, фотосинтез и, как следствие, должно приводить к снижению продуктивности растений (Fisher et al., 1986;
Чернядьев, 1993;
Jones, 1998). Вероятно, по этой причине отбор растений по их способности быстро закрывать устьица привел к противоречивым результатам (Fischer et al., 1998;
Quarrie et al., 1999). Альтернативный способ обеспечения оводненности растений заключается в увеличении притока воды из корней. Известно, что растения с хорошо развитой корневой системой более устойчивы к засухе (Альтергот и др., 1976;
Blum, Sullivan, 1993). Но, вместе с тем, затраты пластических и энергетических ресурсов на развитие корневой системы снижают способность растения обеспечивать быстрый рост листьев и формировать фотоассимилирующую поверхность (Bolanos et al., 1993). Другая возможность повышения притока воды из корней заключается в снижении сопротивления тканей растений движению воды (иными словами, в увеличении гидравлической проводимости). Известно, что гидравлическая проводимость в растении может увеличиваться в ответ на возросший транспирационный запрос (Steudle, Peterson, 1998). Открытие специализированных водных каналов, регулирующих проницаемость клеточных мембран для воды (Chrispeels, Maurel, 1994;
Kjellbom et al., 1999), стало стимулом для пристального внимания исследователей к проблеме регуляции гидравлической проводимости у растений. Одним из подходов в решении проблемы регуляции водного обмена у растений может быть сравнение реакции растений нескольких сортов, отобранных для возделывания в разных климатических условиях. Их изучение расширяет представление о возможных вариантах реагирования растений на возрастание дефицита воды в окружающей среде и может быть полезным в поиске новых критериев для отбора засухоустойчивых форм.
В связи со сказанным, цель данной работы состояла в том, чтобы оце нить относительную роль устьичной и гидравлической проводимости в регу ляции водного обмена у различных генетических форм растений пшеницы и ячменя при увеличении дефицита воды в воздушной среде.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следую щие задачи:
1. На одном из сортов растений пшеницы детально изучить влия ние увеличения температуры воздуха на устьичную и гидравлическую про водимость, относительное содержание воды и рост растений растяжением.
2. Изучить динамику содержания АБК в растениях при повыше нии температуры воздуха для того, чтобы выявить возможную роль этого гормона в регуляции водного обмена при данном воздействии.
3. Исследовать роль транспорта АБК по флоэме и ксилеме в регу ляции распределения гормона при повышении транспирационного запроса (нагреве воздуха).
4. Сравнить реакцию растений исходных и мутантных растений ячменя, отличающихся пониженной способностью синтезировать АБК, на повышение температуры воздуха.
5. Сопоставить реакцию растений нескольких сортов пшеницы на дефицит воды в воздухе в лабораторных и полевых условиях.
6. Сопоставить поведение устьиц растений разных сортов пшени цы со способностью формировать урожай в разных климатических и погод ных условиях.
Научная новизна. Впервые не только в лабораторных, но и полевых условиях обнаружена контрастная реакция устьиц растений разных сортов пшеницы на повышение дефицита воды в воздухе. В полевых условиях пока зано, что на фоне высокой влажности почвы закрытие устьиц в ответ на сни жение относительной влажности воздуха характерно не для всех сортов: у растений сортов Безенчукская 139 и Ирень, устьичная проводимость не сни жалась, а увеличивалась. Эта не описанная ранее особенность сортов корре лировала с их высокой урожайностью в отсутствие почвенной засухи. Экспе рименты с мутантными растениями ячменя с пониженной способностью к синтезу АБК показали, что такие растения не могли поддерживать оводнен ность тканей при повышении температуры воздуха. Снижение способности мутантных растений поддерживать оводненность в этих условиях связано не с особенностью реакции их устьиц, а с регуляцией гидравлической проводи мости корней. Это указывает на роль АБК в регуляции притока воды из кор ней в соответствии с транспирационным запросом. Показано, что быстрое накопление АБК в корнях растений при повышении температуры воздуха обусловлено как подавлением транспорта гормона из корней по ксилеме, так и активацией его притока из побега по флоэме.
Практическая значимость работы. Показано, что быстрое закрытие устьиц было характерно для растений, способных давать стабильный урожай при почвенной засухе, в то время как растения с высокой устьичной прово димостью были более урожайными в условиях с хорошо увлаженной почвой.
Особенность устьичной реакции, которая проявляется как в лабораторных, так и в полевых условиях, может быть использована для целенаправленного подбора пар для скрещивания и отбора растений в популяции для создания сортов с заданными свойствами.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на 3-ей конференции «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем фи зиологии растений, растениеводства и биотехнологии» (Уфа, 2000), 7-ой конфе ренции молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2000).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, об зора литературы, описания методов исследования, результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 182 наименования, в том числе 143 на английском языке. Работа изложена на 113 страницах маши нописного текста, содержит 15 рисунков и 9 таблиц.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Условия выращивания растений и проведения экспериментов В качестве основного объекта исследований служили растения твердой яровой пшеницы (Triticum durum L.) сорта Безенчукская 139, яровой мягкой пшеницы (Triticum aestvum L.) сортов Омская 20 и Ирень и Башкирская 26 и ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Steptoe и его мутантной формы Az 34 (Bacon еt al., 1998.).
В лабораторных опытах объектом служили 7-8-дневные проростки.
Температура воздуха и воды поддерживалась в пределах соответственно день/ночь 24/20оС (воздуха) и 22/18°C (воды). Во время эксперимента темпе ратуру воздуха повышали на 4 градуса с 24 до 28°С и поддерживали на этом уровне в течение 2 часов. Для подавления флоэмного транспорта основание побега фиксировали в кольце из тонкой трубки, через которую пропускали воду, охлажденную льдом.
Полевые исследования проводили на двух госсортоучастках (ГСУ), расположенных в Буздякском и Хайбулинском районах Республики Башкор тостан. Первый из них находится в Предуральской степи. Это в целом благо приятная по влагообеспеченности зона для возделывания яровой пшеницы.
Второй ГСУ находится в Зауральских степях, подверженных воздействию частых засух и суховеев. Кроме того, эксперименты проводили на опытных полях БашНИИСХ РАСХН, расположенных в Чишминском районе, близком по климатическим условиям к Буздякскому району. Уровень обеспеченности растений влагой оценивали по гидротермическому коэффициенту (ГТК), а отзывчивость растений на данный фактор - по величине урожая зерна.
Осмотический потенциал растительных тканей и ксилемного сока оце нивали с помощью криоскопа-осмометра (Гусев, 1960). Транспирацию опре деляли весовым методом. Для измерения устьичной проводимости был ис пользован порометр (MK-Delta T, UK) равновесного типа с непрерывным по током воздуха. Измерение относительного содержания воды (ОСВ) и содер жания воды (СВ) проводили согласно методике, описанной Pardossi et al.
(1992). Для регистрации скорости роста листа использовали аналоговый ин дуктивный электромеханический датчик перемещений (Дедов, 1997). Для измерения растяжимости листа подвешивали дополнительный груз массой 2 г к коромыслу датчика роста.
Гидравлическую проводимость растений рассчитывали по аналогии с законом Ома по формуле: Lpr=Jv/ (Carvajal et al., 1996). где Lpr – гидрав лическая проводимость корней растений (мгчас-1 (г сырого массы корня) МПа-1), Jv – объемный поток ксилемного экссудата через корни (мгчас- (г сырого веса корня)-1), - разность осмотических потенциалов между питательной средой и ксилемным экссудатом (МПа). Для определения объ емного потока через корни (Jv) большую часть побега срезали. Отделенную корневую систему через оставшееся основание побега соединяли с тонким стеклянным капилляром с помощью силиконовой трубки. Вес ксилемного сока, собранного в течение 2,5 ч, определяли на аналитических весах по раз нице веса капилляра вместе с трубочкой до и после сбора сока.
Экстракцию АБК из аликвоты водного остатка спиртового экстракта проводили по модифицированной схеме с уменьшением объема (Veselov et al., 1992). Содержание АБК определяли с помощью иммуноферментного ана лиза (Kudoyarova et al., 1998). Ксилемный экссудат для определения гормо нов собирали на приборе с вакуумным насосом (Веселова, 2003).
Статистическую обработку проводили по стандартным программам. На рисунках и в таблицах приведены средние значения и их ошибки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Торможение роста растяжением листа растений пшеницы при повышении температуры воздуха как показатель дефицита воды в растении.
На начальном этапе нашей работы эксперименты проводили с расте ниями сорта твердой пшеницы Безенчукская 139. Как видно из рис. 1, повы шение температуры воздуха на 3-4 0С в течение нескольких минут приводило к прекращению роста листьев пшеницы. Сравнение рис. 1а и 1б позволяет заметить, что эта ростовая реакция совпадала с возрастанием скорости транс пирации. Быстрые изменения скорости роста листьев растений могут быть показателем оводненности побега. Увеличение транспирационных потерь нарушает сбалансированность скорости испарения воды с ее притоком из корней и приводит к снижению водного потенциала листьев. О том, что это было действительно так, свидетельствуют результаты измерения относи тельного содержания воды (ОСВ). Повышение температуры воздуха приво дило к снижению ОСВ с 94 до 88 %. Детальный анализ ростовой кривой по зволяет обнаружить еще одно свидетельство того, что ростовая реакция рас тений является удобным индикатором водных отношений.
б а 50 Транспирация, мг/проросток час Скорость роста, мкм/мин 10 18 36 54 72 90 108 - - -30 75 80 90 1 00 120 - Продолжительность опыта, мин Продолжительность опыта, мин Рис. 1 Изменение скорости роста первого листа (а) и скорости транспирации (б) 7-8 дневных растений пшеницы сорта Безенчукская 139 при повышении температу ры на 3-4°С градуса. Стрелкой обозначено повышение температуры.
Как видно из кривой (рис. 1а), непродолжительное время после повышения температуры наблюдалось сжатие листа. Это говорит о возможном падении тургора клеток. Затем через 20 мин после начала повышения температуры рост листа пшеницы возобновлялся, и через 30-40 мин его скорость была уже не ниже исходной. При этом уровень транспирации оставался высоким (рис.
1б). Поскольку в данной работе нас интересовал водный обмен растений, а ростовую реакцию мы рассматриваем как один из его показателей, важно было убедиться в том, что восстановление роста было связано именно с вос становлением оводненности тканей растений.
В процессе роста растяжение клеток происходит под действием турго ра, который поддерживается разностью осмотических потенциалов между растущей клеткой и апопластом (Мелещенко, 1998). Поэтому можно было думать, что восстановление роста листа было связано с накоплением осмоти чески активных соединений в клетках. Однако, в период, когда мы наблюда ли полное восстановление скорости роста листа до исходного уровня, осмо тический потенциал клеточного сока из зоны роста листа не отличался от ис ходного (-1,1 МПа в обоих случаях), что исключает осмотические эффекты из списка основных факторов, которые могли обеспечить возобновление рос та листа при дефиците воды.
После повышения температуры ОСВ в листьях сначала снижалось, а затем начинало возрастать и почти достигало исходного уровня, что совпада ло с возобновлением роста листа (рис. 2). Эти данные подтверждают, что во зобновление роста при повышении температуры так же, как и первоначаль ное его прекращение, было обусловлено изменением доступности воды.
За счет чего могло возрасти ОСВ? Это могло произойти благодаря за крытию устьиц и снижению транспирации. Однако, как видно из рис. 1б, скорость транспирации сохранялась на уровне выше исходного на протяже нии всего эксперимента. При этом, против ожидания, устьичная проводи мость не уменьшалась, а, наоборот, увеличивалась (рис. 3).
содержание воды, % Относительное Рис. 2. Изменение отно сительного содержания воды (ОСВ) в листьях 7 8-дневных растений пшеницы сорта Безен чукская 139 при повы 0 5 15 30 45 шении температуры Время действия повышенной температуры воздуха, мин воздуха на 3-4 °С Устьичная проводимость, ммоль/(м*сек) Рис. 3. Динамика усть ичной проводимости первого листа 7-8 днев ных растений пшеницы сорта Безенчукская 0 10 20 30 40 50 при повышении темпе ратуры на 3-4 °С Время после повышения температуры воздуха, мин Оводненность побега на фоне высокой транспирации могла восстанав ливаться за счет увеличения притока воды из корней. Как видно из табл. 1, поток воды из корней растений, которые перед отделением корней испытали температурное воздействие, был в 2 раза выше исходного. Расчет гидравли ческой проводимости показал, что она увеличилась более чем в 2 раза. Этого вполне достаточно, чтобы объяснить двукратное увеличение притока воды из корней при повышении температуры.
Таблица 1.
Скорость потока ксилемного экссудата (Jv) из корней пшеницы, разница осмотического давления между ксилемой (кс) и питательной средой (х-а) (10% Хогланда-Арнона), и гидравлическая проводимость корней (Lpr) до и после повышения температуры воздуха Jv, Lpr, (кс-х-а) 10-3, МПа Время воздействия, мин мгг-1ч-1 мгч-1г-1МПа- 0 21+3 35+2 598+ 30 32+4 20+1 1608+ Таким образом, наши результаты свидетельствуют о том, что гидравлическая проводимость корней может быстро возрастать, и это является основным ме ханизмом, который позволяет компенсировать возросшие транспирационные потери и восстановить баланс между потерей и поглощением воды и обеспе чить сохранение оводненности тканей растений при повышении температуры воздуха.
Важно было понять, участвует ли АБК в регуляции этой реакции. Как видно из рис. 4а, в побегах ее содержание уменьшалось, в то время как в кор нях наблюдалось накопление гормона. По данным литературы хорошо из вестна способность АБК закрывать устьица (Mansfild, McAinsh, 1995). Это дает основание предполагать, что снижение ее содержания в побегах расте ний в наших экспериментах могло обеспечивать открытие устьиц. Данные литературы (Hose et al, 2000) и наши собственные результаты (приводятся в диссертации) позволяют также предполагать участие АБК в регуляции гид равлической проводимости. Поэтому важно было выяснить, каким образом регулировалась концентрация этого гормона в растении. Одной из причин изменения распределения АБК между побегом и корнем при повышении температуры воздуха было двукратное уменьшение притока АБК из корней (данные приводятся в диссертации). Кроме того, важную роль играл поток АБК по флоэме. Из рисунка 4б видно, что подавление флоэмного транспорта предотвращало накопление АБК в корнях. Вместо этого мы наблюдали ее накопление в побеге. Эти результаты свидетельствуют о том, что дополни тельным источником повышенного содержания гормона в корнях растений пшеницы при повышении температуры воздуха был его приток из побега с флоэмным соком. Таким образом, результаты изучения динамики распреде ления АБК у растений пшеницы при повышении температуры позволяют предполагать участие этого гормона в регуляции как устьичной проводимо сти через изменение концентрации АБК в листьях, так и гидравлической через накопление этого гормона в корнях. Способность АБК повышать гид равлическую проводимость проявлялась в опытах с экзогенным гормоном (данные приводятся в диссертации).
Для того чтобы с большей уверенностью говорить об участии АБК в регуляции водного обмена при повышении температуры, были проведены опыты с мутантными растениями ячменя, у которых способность к синтезу АБК была снижена по сравнению с исходной формой.
а б Содержание АБК, нг/г сырой массы Содержание АБК, нг/г сырой массы 8 листья листья корни корни 4 0 0 20 40 60 0 20 40 Время действия повышенной Время действия повышенной температуры, мин температуры, мин Рис. 4. Влияние повышенной температуры воздуха на содержание АБК в побегах и корнях растений пшеницы сорта Безенчукская 139.
а – контрольные растения с ненарушенным флоэмным транспортом;
б – растения, у которых транспорт по флоэме был подавлен путем охлаждения основания побега.
Смена объекта (пшеницы на ячмень) была обусловлена тем, что для растений пшеницы не известны мутанты с пониженной способностью к син тезу АБК, в то время как такой мутант ячменя оказался в нашем распоряже нии.
Скорость роста, мкм/мин 36 45 54 63 72 81 90 18 0 - - - - - Исходная форма - Мутантная форма Время, мин Рис. 5. Влияние повышения температуры воздуха на 3-40С на скорость роста проро стков ячменя.
На первом этапе работы с растениями ячменя необходимо было прове рить, как они реагируют на повышение температуры. В отличие от исходной формы, у которой рост возобновлялся через 20 мин после начала нагрева, у мутантных растений сжатие листа продолжалось около часа (рис. 5). Относи тельное содержание воды у них также было ниже исходного через 40 мин по сле повышения температуры воздуха (табл. 2) В это же время содержание воды в листьях исходной формы ячменя было не ниже, чем до повышения температуры. Эти результаты указывают на то, что мутантные растения яч меня с пониженным синтезом АБК отличались слабой способностью к вос становлению роста и оводненности листьев (табл. 2).
Таблица Относительное содержание воды (%) у растений ячменя при повышении температу ры воздуха (ошибка средней составляет 0,5 %).
Относительное содержание воды (%) Время, мин Исходная форма Мутантная форма 0 91 40 89 Поскольку у мутантных растений был дефицит АБК, а этот гормон стимулирует закрытие устьиц, можно было предполагать, что неспособность мутантных растений поддерживать рост и оводненность при повышении температуры объясняется тем, что у них устьица не закрываются.
Таблица Устьичная проводимость (ммольм-2 c-1) растений ячменя до и после повышения температуры воздуха.
Время измерения Формы До повышения После возобновления температуры роста при нагреве воздуха Исходная 57±6 165± Мутантная 199±9 290± Однако, как видно из табл. 3, реакция устьиц растений исходного сорта яч меня на повышение температуры была такой же, как и у растений пшеницы (их проводимость увеличивалась). Наиболее яркое отличие мутантных расте ний заключалось в более высокой устьичной проводимости по сравнению с исходными как до, так и после температурного воздействия. Она была более чем в 3 раза выше, чем у исходной формы. При этом мутантные растения от личались пониженным содержанием воды в листьях (91 и 89 % у исходной и мутантной формы, соответственно). Более высокую устьичную проводимость мутантных растений по сравнению с исходной формой можно объяснить их пониженной способностью к синтезу АБК, что еще раз подтверждает роль данного гормона в регуляции устьичной проводимости. Вместе с тем, исход ные растения ячменя поддерживали оводненность при повышении темпера туры не за счет закрытия устьиц. Устьица у них, наоборот, открывались при данном воздействии. Поэтому неспособность мутантных растений поддер живать оводненность при повышении температуры воздуха не была связана с работой их устьиц. Эти результаты свидетельствует в пользу предположения об участии АБК в регуляции гидравлической проводимости.
Реакция устьиц разных сортов растений пшеницы на увеличение транспирационного запроса как диагностический признак в селекции на засухоустойчивость.
Особенности водного обмена могут быть видо- и сортоспецифичны.
Поэтому оценка способности растений поддерживать водный обмен должна играть важную роль в селекционном процессе. Анализ данных литературы показывает, что авторы делали акцент на способность растений быстро за крывать устьица при дефиците воды (Quarrie et al, 1999). Поскольку в резуль тате закрытия устьиц уменьшается потеря воды за счет транспирации, пред полагалось, что этот механизм должен обеспечивать засухоустойчивость рас тений.
Исследование реакции растений твердой пшеницы сорта Безенчукская 139 на повышение температуры воздуха показало, что эти растения не закры вали устьица при повышении транспирации, а поддержание оводненности листьев у них достигалось за счет увеличения притока воды из корней в ре зультате снижения гидравлического сопротивления. Цель данного фрагмента нашей работы состояла в том, чтобы сопоставить результаты оценки устьич ной проводимости и транспирации нескольких сортов растений пшеницы в лабораторных и полевых условиях с данными по их урожайности в течение нескольких лет, различавшихся по количеству выпавших осадков, в районах с различными климатическими условиями. Мы предполагали найти связь между способностью растений быстро закрывать устьица или поддерживать их открытыми и их урожайностью в условиях разной влагообеспеченности.
На первом этапе нашей работы с растениями разных сортов реакция на повышение температуры воздуха была изучена в лабораторных условиях.
Наблюдения показали, что данное воздействие оказывало неоднозначное влияние на скорость транспирации у исследуемых сортов (рис. 6). У расте ний сорта Ирень, созданного для условий высокой влагообеспеченности (Красноуфимская селекционная станция), отмечалось повышение транспира ции вплоть до самого окончания воздействия повышенной температуры. В менее выраженной форме, до 40 мин экспозиции при повышенной темпера туре, подобная ответная реакция отмечалась и у растений сорта Омская 20 с последующим падением транспирации до исходного уровня. У растений сор та Казахстанская 10 в лабораторных условиях мы не обнаружили резких из менений транспирации при повышении температуры воздуха.
Под влиянием повышения температуры изменялась и устьичная прово димость растений (табл. 4).
Скорость транспирации, мг/растение в час Ирень Омская 0 20 40 Время после повышения температуры, мин Рис. 6. Динамика скорости транспирации при повышении температуры воздуха в лабораторных условиях у 7-8-дневных растений разных сортов мягкой пшеницы.
Таблица 4.
Устьичная проводимость листьев проростков пшеницы разных сортов при повыше нии температуры воздуха.
Устьичная проводимость, ммольм-2с-1 (n=10) Сорт 0 мин (контроль) 20 мин 60 мин Омская 20 65,6±6,0 52,6±5,5 42,1±5, Ирень 37,7±4,0 41,6±4,5 61,5±6, Характер ее изменений у растений данных сортов был различным. У расте ний сорта Омская устьичная проводимость монотонно снижалась (за первые 20 минут – на 15 %, а к 60 минуте была ниже исходной уже на 30 %). У рас тений сорта Ирень, наоборот, нагрев воздуха приводил к возрастанию усть ичной проводимости (на 20 и 50 % через 20 и 60 минут после начала воздей ствия соответственно), что согласуется с все возрастающей в течение экспе римента интенсивностью транспирации (рис. 6). Повышенный расход воды растениями данного сорта мог быть скомпенсирован за счет усиления посту пления воды в побег из корневой системы. Измерение гидравлической про водимостью корней выявили существенные сортовые различия в динамике данного показателя (рис. 7). Повышение температуры воздуха приводило к значительному возрастанию гидравлической проводимости корней у расте ний сорта Ирень, чего не наблюдалось у растений сорта Омская 20.
Гидравлическая проводимость, м/сек*МПа Омская Ирень 0 мин 40 мин Рис. 7. Гидравлическая проводимость у различных сортов пшеницы до и после минут повышения температуры воздуха на 3-4°С.
Возрастание транспирации приводит к дисбалансу между поглощением воды и ее потерей, в результате увеличивается дефицит воды в растении, по давляя процесс роста. О том, что это так, свидетельствуют результаты реги страции скорости роста листьев растений в наших лабораторных экспери ментах. Повышение температуры воздуха приводило к прекращению роста и сжатию первого листа, которое было более явно выражено у растений сорта Омская 20 и менее заметно у растений сорта Ирень (рис. 8). Однако через 30 40 минут у растений обоих сортов рост листа возобновлялся со скоростью не ниже исходной, что указывает на то, что растениям удалось восстановить оводненность, очевидно, путем восстановления баланса между поглощением и потерей воды. Анализ данных по устьичной и гидравлической проводимо сти позволяет понять, каким образом это достигается.
Омская Скорость удлинения листа, мкм/мин 0 20 40 60 - Время, мин - Ирень 0 20 40 60 - Время, мин Рис. 8. Изменение скорости роста проростков пшеницы сортов Омская 20 и Ирень при повышении температуры воздуха на 3-40С.
Важно то, что один и тот же результат (восстановление баланса между поглощением и потерей воды) достигался разными путями у растений двух изученных сортов. Растения сорта Омская 20 закрывали устьица, что приво дило к снижению у них транспирации до исходного уровня к концу первого часа температурного воздействия. В тех же условиях у растений сорта Ирень, наоборот, устьичная проводимость возрастала и транспирация не только не снижалась, а продолжала расти. Данные по гидравлической проводимости указывают на то, что это достигалось за счет уменьшения сопротивления по току воды из корней, которое обеспечивало увеличение ее потока в побег.
Таким образом, наши результаты соответствуют данным литературы о том, что в некоторых случаях гидравлическая проводимость может меняться в со ответствии с транспирационным запросом (Steudle, Peterson, 1998). Важно то, что, по нашим данным, это может происходить достаточно быстро. Интерес но, что и у растений сорта Омская 20 гидравлическая проводимость также изменялась в соответствии с транспирационным запросом (в данном случае она снижалась параллельно со снижением устьичной проводимости и транс пирации). Эти данные соответствуют данным литературы о существовании механизма, который координирует изменения устьичной и гидравлической проводимости у растений (Steudle, Peterson, 1998).
Важно было убедиться, что различия в поведении устьиц проявляются не только в лабораторных экспериментах при работе с проростками, которые выращивали в водной культуре, но и в полевых условиях у более взрослых растений.
Таблица 5.
-2 - Устьичная проводимость (ммольм с ) растений разных сортов пшеницы, выра щенных в полевых условиях Чишминского опытного хозяйства Дата проведения измерения (относительная влажность воздуха, %), 2005 г.
Сорта 11 июня (80 %) 22 июня (40 %) Ирень 418±3 547± Башкирская-26 468±4,5 361± У растений в фазе трубкования сортовые различия ярко проявлялись июня на фоне пониженной относительной влажности воздуха. У растений сорта Ирень устьичная проводимость в этот день была в 1,5 -2 раза выше, чем у Башкирской 26. По сравнению с предыдущими измерениями, которые проводились на фоне более высокой относительной влажности воздуха июня, устьичная проводимость у растений сорта Ирень возрастала, а у расте ний сортов и Башкирская-26 - снижалась. Необходимо отметить, что влаж ность почвы 22 июня оставалась высокой после дождей, которые прошли во вторую декаду месяца. Поэтому сортовые различия в устьичной проводимо сти были обусловлены действием исключительно воздушной засухи.
Таким образом, растения изученных сортов реагировали на повышение температуры диаметрально противоположным образом: растения сорта Ирень открывали устьица и одновременно увеличивали приток воды из кор ней, а растения сорта Омская 20 и Башкирская 26 – закрывали устьица. На первый взгляд обе реакции должны были приводить к одному и тому же ре зультату: восстановлению оводненности побега и роста растяжением. Однако в отдаленной перспективе эти два типа реакции должны были привести к не одинаковым последствиям. Закрытие устьиц позволяет растению экономить воду, уменьшая ее расход на транспирацию. Вместе с тем, закрытие устьиц нарушает газообмен, что должно отрицательно сказаться на фотосинтезе и, в конечном итоге, - на урожайности растений (Jones, 1998). Поэтому способ ность растений быстро снижать гидравлическое сопротивление при возрас тании транспирационного запроса имеет то преимущество, что поддерживает оводненность листьев, сохраняя устьица открытыми (Vysotskaya et al., 2004).
На основании данных литературы и результатов наших собственных исследований мы предположили, что различная реакция устьиц на повыше ние температуры может дать растениям преимущества в разных условиях произрастания. Быстрое закрытие устьиц должно быть выгодным в условиях сильной почвенной засухи, а способность растений поддерживать устьица в открытом состоянии – обеспечивать поддержание фотосинтеза и формирова ние хорошего урожая при достаточном содержании воды в почве.
Для того чтобы проверить правильность этого предположения, необхо димо было проанализировать данные по урожайности растений с контраст ной устьичной реакцией в различных условиях. С этой целью было проведе но сравнение урожайности растений сортов Ирень и Башкирская 26 по ре зультатам, полученным в Чишминском опытном хозяйстве в 2003 и 2004 гг., которые различались по уровню влагообеспеченности. Кроме того, были проанализированы данные по урожайности растений сортов Ирень и Омская 20, полученные в 2001 г. на Госсортоучастках (ГСУ), контрастных по уровню влагообеспеченности.
Как видно из данных ГТК (гидротермический коэффициент), Буздяк ский район отличается более высокой влагообеспеченностью, чем Хайбулин ский, что ярко проявилось в 2001 г. (табл. 6). На фоне нормальной увлажнен ности растения сорта Ирень отличались более высокой урожайностью. Уро жайность растений обоих сортов была ниже в более засушливом районе. Од нако степень снижения урожайности под влиянием засухи была выражена сильнее у растений сорта Ирень по сравнению с растениями сорта Омская 20.
В результате в Хайбулинском районе урожайность была выше у растений сорта Омская 20 по сравнению с сортом Ирень.
Таблица 6.
Данные гидротермического коэффициента (ГТК) (средние значения за май-июль) и урожай зерна сортов на госсортучастках (ГСУ) в 2001 г.
Урожайность, ц/га ГСУ ГТК Ирень Омская Буздякский 1.38 29.5±1,1 27.7±1, Хайбуллинский 0.41 20.8±0,7 22.2±0, Отзывчивость сортов на уровень обеспеченности растений влагой оценива лась также в полевых условиях Чишминского опытного хозяйства (табл. 7).
Таблица 7.
Урожайность зерна (ц/га) сортов яровой пшеницы в Чишминском опытном хозяйстве в контрастные по ГТК годы (данные представлены Чишминским ОПХ БашНИИСХ РАСХН).
Сорта Год ГТК в мае Ирень Башкирская 2003 2,0 25,0±1,1 21,8±1, 2004 0,33 16,8±0,7 17,6±0, Для экспериментов в Чишминском опытном хозяйстве вместо сорта Омская 20 использовали сорт Башкирская 26, устьица которого реагировали сходным образом, что и растения сорта Омская 20, т.е. закрывались при сни жении относительной влажности воздуха. Для сравнения взяты результаты 2003 и 2004 гг. Эти года различались по степени влагообеспеченности в на чале вегетационного периода (табл. 7).
В условиях отсутствия почвенной засухи сорт Ирень заметно превос ходил по урожаю зерна Башкирскую 26. Однако засуха приводила к более резкому снижению урожая данного сорта, чем это происходило у Башкир ской 26 (на 30 %, и на 20 % соответственно).
При нормальной влагообеспеченности растения сорта Ирень оказались более урожайными, чем остальные сорта. Таким образом, подтвердился наш прогноз, что способность растений этого сорта поддерживать устьица откры тыми за счет увеличения притока воды из корней, может обеспечивать высо кий уровень фотосинтеза и урожайности при достаточном содержании воды в почве. Вместе с тем, такая особенность устьичной реакции растений могла привести к их большей уязвимости при почвенной засухе, что и проявилось в более резком снижении их урожайности в засушливых условиях по сравне нию с остальными сортами. Результаты наших экспериментов соответствуют данным литературы о том, что растения с высоким уровнем транспирации проявляли высокую урожайность в условиях полива (Lu et al., 1998).
Растения сортов Омская 20 и Башкирская 26 наоборот были более ус тойчивыми к недостатку влаги. Их урожайность при снижении оводненности снижалась в меньшей степени, чем у растений сорта Ирень. Это также соот ветствовало нашему прогнозу, который был сделан на основе лабораторных экспериментов, которые показали способность растений этих сортов быстро закрывать устьица в ответ на возрастание транспирационного запроса, что позволяло им экономно расходовать воду. Отбор сортов пшеницы по способ ности срезанных листьев быстро закрывать устьица был описан в литературе (Quarrie et al., 1999). Однако корреляцию между устьичной проводимостью и урожайностью растений в отдельные годы не удавалось обнаружить (Fischer et al., 1998). Наши данные позволяют понять причину неоднозначности связи между устьичной проводимостью и урожайностью растений. Они указывают на необходимость проведения оценки устьичной проводимости в условиях достаточной влажности почвы.
Сравнение результатов лабораторных и полевых экспериментов свиде тельствует о перспективности использования анализа реакции устьиц расте ний на уменьшение влажности воздуха в лабораторных и полевых условиях в качестве теста, который может быть полезен для получения более полной ха рактеристики сортов. Оценка засухоустойчивости растений по их урожайно сти в полевых условиях требует многолетних испытаний. Предложенный на ми подход позволяет подбирать сорта для скрещивания, анализируя их усть ичную реакцию непосредственно в поле в течение одного вегетационного периода, и в дальнейшем отбирать растения в популяции гибридных расте ний, что может способствовать ускорению селекционного процесса.
Таким образом, полученные нами результаты свидетельствуют о спо собности растений быстро реагировать на действие такого важного экологи ческого фактора как влажность воздуха. Важную роль в этой реакции играет АБК, которая влияет не только на устьичную, но и гидравлическую прово димость. Характер реакции растений на влажность воздуха определяет при способленность растений к обитанию в определенных климатических усло виях.
Выводы.
1. Установлено, что у растений сортов яровой пшеницы поддер жание водного баланса и роста побега при дефиците воды в воздухе достига ется за счет разных механизмов: у одних путем закрытия устьиц (Омская 20, Башкирская 26), у других (Ирень, Безенчкусксая 139) – повышения гидрав лической проводимости и притока воды из корней.
2. Впервые показано, что сортовые особенности устьичной реак ции проявляются не только у проростков в условиях гидропоники, но и у растений в фазе кущения и трубкования, выращенных в поле.
3. Анализ устьичной реакции растений может быть использован в качестве диагностического признака: растения, способные поддерживать транспирацию при воздушной засухе, дают хороший урожай при высокой влажности почвы, растения, склонные быстро закрывать устьица в этих ус ловиях - более засухоустойчивы.
Выявлено, что накопление АБК в корнях, коррелирующее с 4.
увеличением гидравлической проводимости растений, обусловливается уси лением притока гормона из побега по флоэме и снижением его загрузки в ксилему.
Показано, что мутантные растения ячменя с пониженной ак 5.
тивностью синтеза АБК не способны быстро восстанавливать рост и поддер живать оводненность побега при дефиците воды, что обусловлено не только нарушением у них регуляции устьичной проводимости, но и притока воды из корней. Это подтверждает роль АБК в адаптации к неблагоприятным эколо гическим факторам.
Список работ, опубликованных по материалам диссертации:
1. Митриченко А.Н., Веселова С.В., Иванов Е.А. Дедов А.В., Веселов Д.С., Фархутдинов Р.Г. Влияние повышения температуры воздуха на рост, содержание гормонов и водный режим проростков пшеницы. Докл. конф. «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии». Уфа, 2000. – С. 122–126.
2. Митриченко А.Н., Веселова С.В., Иванов Е.А., Веселов Д.С., Фархут динов Р.Г. Влияние увеличения температуры на транспирацию, скорость рос та листьев и содержание гормонов в проростках пшеницы. Тезисы 7-й молод.
конф. ботаников. – СПб., 2000. – С. 136.
3. Иванов Е.А., Фархутдинов Р.Г., Веселов Д.С., Золотов А.Л., Никонов В.И., Трапезников В.К., Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р. Реакция устьиц расте ний разных сортов пшеницы на увеличение транспирационного запроса как диагностический признак в селекции на засухоустойчивость. Вестник Башкир ского университета. 2005. №1. 65-68.
4. Иванов Е.А., Фархутдинов Р.Г., Веселов Д.С., Золотов А.Л., Никонов В.И., Трапезников В.К., Фаизов Р.Г., Кудоярова Г.Р. Изменение устьичной про водимости растений разных сортов яровой мягкой пшеницы при увеличении дефицита воды в воздухе как диагностический признак в селекции на засухо устойчивость. Сельскохозяйственная биология. 2007, № 1 (в печати).
5. Кудоярова Г.Р., Веселов Д.С.,. Фаизов Р.Г, Веселова С.В., Иванов Е.А., Фархутдинов Р.Г Реакция устьиц на изменение температуры и влажности воз духа у растений сортов пшеницы, районированных в контрастных климатиче ских условиях. Физиология растений. 2007, №1, Т. 54. С. 54-58 (в печати).