Морфо-физиологические реакции растений на кратковременные снижения температуры в условиях разных фотопериодов
На правах рукописи
СПИРИДОНОВА Евгения Анатольевна МОРФО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА КРАТКОВРЕМЕННЫЕ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В УСЛОВИЯХ РАЗНЫХ ФОТОПЕРИОДОВ 03.01.05 — «Физиология и биохимия растений»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Санкт-Петербург — 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт биологии Карельского научного центра РАН (ИБ КарНЦ РАН)
Научный консультант: доктор биологических наук, доцент СЫСОЕВА Марина Ивановна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук КИСЛЮК Ирина Марковна доктор биологических наук, профессор ГОНЧАРОВА Эльза Андреевна
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт фундаментальных проблем био логии РАН
Защита состоится 25 мая 2011 г. в 14 часов на заседании диссертацион ного совета Д 002.211.02 при Учреждении Российской академии наук Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 2. Тел. (812) 346-47-06, факс (812) 346-36-43.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Россий ской академии наук Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН Автореферат разослан “15” апреля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, О. С. Юдина кандидат биологических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Растения в процессе онтогенеза произрастают в переменных условиях среды и постоянно подвергаются действию ши рокого круга факторов среды – абиотических и биотических, среди ко торых важнейшими выступают температура и фотопериод. Фотопериод является одним из наиболее эволюционно стабильных факторов (Шилов, 2001;
Garner, Allard, 1920), в то время как изменение температуры гораз до более лабильно. Растения воспринимают различные температурные параметры, такие как абсолютное значение, градиент, сумму эффектив ных температур. Причем, отклик растений на температуру может быть отмечен как непосредственно в момент ее действия, так и в последейст вии на более поздних этапах развития (Hua, 2009).
Большинство исследований сфокусировано на изучении реакции растений на действие низких положительных и отрицательных темпера тур с экспозицией в минутах и сутках (Александров, 1975;
Удовенко, Гончарова, 1982;
Кислюк, 1985;
Титов, 1989;
Кузнецов, 1992;
Войников и др., 2004;
Трунова, 2007;
Guу, 1990;
Thomashow, 1999), и гораздо меньше внимания уделяется влиянию переменных температурных усло вий (Радченко, 1966;
Went, 1944;
Samach, Wigge, 2005), в то время как даже небольшие варьирования в суточной температуре могут оказать драматическое влияние на рост и развитие растений (Kumar, Wigge, 2010). В последнее время эта проблема становится все более актуальной в связи с глобальными изменениями климата, которые в ХХI веке могут существенно изменить условия произрастания растений (Lee et al., 2008).
В соответствии с одним из сценариев изменения климата на ближайшие десятилетия нестабильность суточной температуры, проявляющаяся в резких переходах от оптимальных к субоптимальным значениям, осо бенно в ранневесенний период на северо-западе России, будет усили ваться (Филатов и др., 2003), в связи с чем изучение влияния флуктуи рующих температур становится еще более актуальным.
Разработка новых энергосберегающих экологически чистых техно логий выращивания растений в условиях защищенного грунта также требует получения новых знаний о действии переменных суточных тем ператур на растения. В литературе представлены многочисленные дан ные о влиянии ежесуточных кратковременных снижений температуры на морфологические показатели (высоту растений, длину междоузлий, черешков и т.д.) (Erwin et al., 1989;
Moe, Heins, 2000), показана их роль в повышении холодоустойчивости растений (Марковская и др., 2000;
Markovskaya et al., 2003;
Sysoeva et al., 2005). Установлено, что эффек тивность кратковременных многосуточных низкотемпературных воздей ствий может зависеть от длительности фотопериода (Moe et al., 1995).
Однако в литературе отсутствуют системные данные о реакциях расте ний различных фотопериодических групп на ежесуточные кратковре менные снижения температуры в условиях разных фотопериодов, вклю чая круглосуточное освещение.
Цель и задачи исследования. Целью работы явилось изучение морфо-физиологических реакций растений разных фотопериодических групп на кратковременные ежесуточные снижения температуры (ДРОП) в условиях разных фотопериодов.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие за дачи:
1. Изучить морфологические реакции растений на ДРОП;
2. Изучить влияние ДРОП на биологическую продуктивность рас тений;
3. Исследовать влияние ДРОП на состояние фотосинтетического аппарата растений;
4. Изучить последействие влияния ДРОП на генеративное развитие и продуктивность растений;
5. Исследовать реакцию растений на ДРОП в условиях круглосу точного освещения.
Научная новизна работы. В результате исследований получены новые оригинальные данные, углубляющие представления о реакции растений разных фотопериодических групп на действие ежесуточных кратковременных снижений температуры. В частности показано, что ДРОП-обработки на ранних этапах онтогенеза у всех исследованных растений вызывают термоморфологическую реакцию (уменьшение вы соты), однако этот эффект нивелируется в последействии. Установлено, что в условиях круглосуточного освещения кратковременные низкотем пературные воздействия усиливают боковое ветвление и увеличивают биологическую продуктивность растений. Впервые показано, что ежесу точные кратковременные снижения температуры на ранних этапах онто генеза ускоряют последующее генеративное развитие растений незави симо от их фотопериодической принадлежности. Выдвинуто предполо жение о том, что у длиннодневных растений в условиях неблагоприятно го фотопериода температурный путь регуляции цветения, связанный с перепадами суточных температур, может выступать в качестве альтерна тивного фотопериодическому.
Практическая значимость работы. Основные результаты работы могут быть применены при разработке новых экологически чистых тех нологий выращивания растений в условиях защищенного грунта, осно ванных на применении кратковременных ежесуточных низкотемпера турных обработок с учетом особенностей реакции растений разных фо топериодических групп. Полученные результаты также можно исполь зовать в образовательном процессе при чтении общих и специальных курсов по физиологии растений.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были пред ставлены и обсуждались на I Всероссийской молодежной научной кон ференции «Молодежь и наука на Севере» (Сыктывкар, 2008);
Всерос сийской научной конференции с международным участием «Экологиче ские проблемы Северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2008);
Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные пробле мы ботаники в начале XXI века» (Петрозаводск, 2008);
XV Школе «Ак туальные проблемы биологии развития» (Звенигород, 2008);
NOVA PhD курсах «Crop production in a changing environment» (Helsinki, 2008);
XVI Конгрессе Федерации Европейских обществ биологов растений FESPB (Tampere, 2008);
Международной научной конференции «Youth seeks progress – 2009» (Kaunas, 2009);
Годичном собрании общества физиоло гов растений и Международной научной конференции «Физико химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязне нию в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009);
13-й Международ ной Пущинской школе-конференции «Биология – наука XXI века» (Пу щино, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 – в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка литературы, включающего 229 наименований, в том числе 161 на иностранном языке. Работа изло жена на 127 страницах, содержит 34 рисунка и 29 таблиц.
Диссертационная работа выполнялась в 2008-2010 гг. в соответст вии с планом НИР ИБ КарНЦ РАН, являясь частью плановой темы (№ гос. регистрации 01.2.00 851647) и при финансовой поддержке гран тов РФФИ № 07-04-00063_а и 10-04-00097_а.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В главе представлен обзор исследований по влиянию переменных суточных температур на морфо-физиологические показатели растений.
Рассмотрены основные механизмы влияния переменных суточных тем ператур на рост и развитие растений.
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Опыты проводили на растениях хризантемы килеватой (Chrysan themum carinatum Schoubs.) сорта Rainbow mixture, огурца посевного (Cucumis sativus L.) сорта Зозуля, бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta L.) сорта Купидон и петунии гибридной (Рetunia х hybrida Vilm.) сорта Стелярис. Выбранные виды растений имеют разную фотопериодическую реакцию (ФПР): хризантема относится к короткодневным растениям (КДР), петуния – к длиннодневным (ДДР), огурец и бархатцы – к ней тральным по отношению к фотопериоду видам растений (НДР).
На ранних этапах онтогенеза растения выращивали в камерах ис кусственного климата при фотопериодах (день/ночь) 8/16, 12/12, 16/8, 24/0 ч. С целью исключения влияния на развитие растений суточного интеграла света и среднесуточной температуры воздуха опыты по изу чению кратковременных низкотемпературных воздействий проводили при одинаковых значениях суточного интеграла света (5,3 моль/сут) и среднесуточной температуры (20-22°С). До начала низкотемпературных воздействий растения выращивали при оптимальных температурах 20-22°С. По достижении фазы полностью раскрытых семядольных ли стьев у огурца, 3-4 листьев у бархатцев, 6-9 листьев у хризантемы и 9-10 листьев у петунии часть растений оставляли при этих температур ных условиях (вариант контроль), а остальные в течение 6 сут либо под вергали ежесуточным снижениям температуры до 12°С в конце ночного периода на 2 или 6 ч (варианты ДРОП-2 и ДРОП-6), либо выращивали при постоянной низкой температуре 12°С (вариант ПНТ), которая для данных видов является закаливающей (субоптимальной) температурой (Дроздов и др., 1984;
Adams et al., 1999;
Langton, Horridge, 2006;
Moccaldi, Runkle, 2007).
По окончании температурных обработок определяли число листьев на главном побеге, высоту растения, количество боковых побегов, сухую массу растения и его органов, содержание пигментов в листьях, пара метры флуоресценции хлорофилла.
Для изучения последействия низкотемпературных обработок на процессы генеративного развития и цветочную продуктивность петунию и бархатцы высаживали в середине июня в открытый грунт на экспери ментальные участки с культуроземом темноцветным маломощным, а хризантему выращивали в камерах искусственного климата в условиях индуктивного короткого фотопериода. В ходе фенологических наблюде ний фиксировали даты начала фаз бутонизации, цветения, наступления массового цветения растений.
Сухую массу растений и органов определяли путем высушивания в термостате при 105°С до постоянного веса. Взвешивание проводили на аналитических весах GR-200 (AND, Япония) с точностью до 0,0001 г.
Содержание фотосинтетических пигментов – хлорофиллов (a, b, a+b) и каротиноидов проводили на семядольных листьях огурца, листьях 2-го яруса у бархатцев и 5-6-м листе у петунии и хризантемы по стан дартным методикам (Бернштейн, Каминский, 1986;
Мерзляк и др., 1996), экстрагируя из свежего материала 96%-ным этиловым и определяя на спектрофотометре СФ-2000 (Россия) при величине оптической плотно сти 665, 649, 470 нм. Для расчета использовали формулы (Lichtenthaler, Wellburn, 1983). Долю хлорофиллов в светособирающем комплексе (ССК) рассчитывали по (Lichtenthaler, 1987).
Функциональную активность фотосинтетического аппарата оценивали по параметрам флуоресценции хлорофилла с использованием портативного флуориметра с импульсно-модулированным освещением MINI-PAM (Walz, Германия), руководствуясь инструкцией производите ля и работами (Корнеев, 2002;
Lichtenthaler, Babani, 2004). Измерения проводили на листьях растений (10-15 штук), предварительно адаптиро ванных в течение 15 минут в темноте при комнатной температуре. Опре деляли следующие параметры индуцированной флуоресценции хлоро филла: Fv/Fm – максимальный квантовый выход фотохимической актив ности ФСII;
ФСII – реальный квантовый выход ФСII;
qP – коэффициент фотохимического тушения флуоресценции;
NPQ – коэффициент нефо тохимического тушения флуоресценции;
ETR – скорость транспорта электронов в ЭТЦ.
Повторность в пределах одного варианта опыта при биометриче ских измерениях 10-15-кратная, при определении содержания пигментов – 10-кратная, параметров флуоресценции хлорофилла – 6-кратная. Каж дый опыт повторяли 2-3 раза. Полученные данные обработаны с исполь зованием стандартных статистических методов. На рисунках и в табли цах представлены средние значения по нескольким независимым опы там. Достоверность различий между вариантами опытов оценивали с помощью критерия Стьюдента (при P 0,05).
ГЛАВА 3. МОРФО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ЕЖЕСУТОЧНЫЕ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАННИХ ЭТАПАХ ОНТОГЕНЕЗА Нашими экспериментами была подтверждена термоморфологиче ская реакция растений на действие кратковременных ежесуточных сни жений температуры, а именно уменьшение высоты у растений всех фо топериодических групп, причем степень ее проявления зависела от про должительности низкотемпературного воздействия, длительности фото периода и типа фотопериодической реакции растений (рис. 1А). Одной из возможных причин морфологического отклика растений может быть участие гиббереллинов в реакции растений на ежесуточные кратковре менные снижения температуры (Myster et al., 1997;
Grindal et al., 1998;
Langton, 1998). В последействии полученный морфологический эффект не сохранялся.
Данные по влиянию ДРОП на боковое ветвление растений в дос тупной литературе единичны (Cockshull et al., 1995). Нами установлено, что ежесуточные кратковременные снижения температуры привели к увеличению числа боковых побегов в условиях круглосуточного осве щения у ДДР и НДР, а у КДР эффект отмечен уже при нейтральном дне (рис. 1Б).
В настоящей работе впервые предпринята попытка в рамках одного исследования оценить влияние кратковременных низкотемпературных воздействий на биологическую продуктивность растений с разной ФПР в условиях разных фотопериодов. Установлено, что кратковременные низкотемпературные обработки противоречиво влияли на накопление биомассы растений: отмечено как ее снижение, так и увеличение (рис. 2А), что согласуется с литературными данными (Ueber, Hendriks, 1992;
Mortensen, Moe, 1992;
Марковская и др., 2000). Однако в условиях круглосуточного освещения ДРОП вызывал увеличение накопления су хой массы у растений всех фотопериодических групп, а также оказывал влияние на ее распределение по органам растений – несколько увеличи вал долю биомассы листьев у петунии (рис. 2Б).
Выявленные реакции на кратковременные низкотемпературные воздействия при круглосуточном освещении схожи с реакциями расте ний северных широт, наблюдаемыми в природных условиях (компактная розеточная форма). Увеличение ветвления отмечено у многих видов ин тродуцированных растений, переселенных из различных географических районов мира в условия Заполярья (Шавров, 1961;
Юрцев, 1976).
Данные по влиянию ежесуточных кратковременных снижений тем пературы на содержание пигментов в листьях растений единичны (Vgen et al., 2002). Нами установлено, что в условиях благоприятных для раз вития фотопериодов ДРОП способствовал увеличению накопления зеле ных пигментов и доли хлорофиллов ССК у всех исследуемых видов рас тений.
Хризантема (КДР) А Б Бархатцы (НДР) Петуния (ДДР) Рис. 1. Влияние кратковременных ежесуточных снижений температуры (ДРОП) и постоянной низкой температуры (ПНТ) на высоту растений (А) и число боковых побегов (Б) в условиях разных фотопериодов:
1 – контроль, 2 – ДРОП-2 ч, 3 – ДРОП-6 ч, 4 – ПНТ.
Здесь и далее * – достоверные отличия от контроля (P 0,05).
Хризантема (КДР) А Б Бархатцы (НДР) Петуния (ДДР) Рис. 2. Влияние кратковременных ежесуточных снижений температуры (ДРОП) и постоянной низкой температуры (ПНТ) на накопление (А) и распределение по органам (Б) сухой массы растений в условиях разных фотопериодов: 1 – контроль, 2 – ДРОП-2 ч, 3 – ДРОП-6 ч, 4 – ПНТ.
Таблица Влияние кратковременных ежесуточных снижений температуры (ДРОП) и постоянной низкой температуры (ПНТ) на содержание хлорофиллов в листьях хризантемы и петунии в условиях разных фотопериодов Хризантема (КДР) Петуния (ДДР) Фотопе риод Вариант Хл a+b, Доля Хл Хл a+b, Доля Хл опыта (день/ мг/г сухой в CCK, мг/г сухой в CCK, ночь), ч массы массы.
% % Контроль 10,2±0,7 42,4 20,0±0,7 46, ДРОП-2 ч 11,3±1,0 56,8* 13,0±1,8* 44,1* 8/ ДРОП-6 ч 13,6±2,2* 69,1* 13,4±1,1* 41,7* ПНТ 10,7±0,9 42,9 14,6±0,5* 44,5* Контроль 10,7±1,8 45,6 18,3±2,5 48, ДРОП-2 ч 9,3±0,7* 49,8 17,0±1,5 50, 12/ ДРОП-6 ч 14,8±1,6* 86,1* 17,5±1,5 60,2* ПНТ 11,3±1,3 49,4 15,5±1,8* 48, Контроль 12,5±1,8 45,2 14,7±2,5 53, ДРОП-2 ч 12,1±1,0 41,5 13,5±1,3 50, 16/ ДРОП-6 ч 11,2±1,2* 47,8 14,3±0,9 49, ПНТ 11,9±1,0 46,8 14,8±1,9 52, Контроль 13,8±1,7 45,9 15,5±0,9 49, ДРОП-2 ч 12,8±2,1 46,0 16,7±2,9 51, 24/ ДРОП-6 10,8±1,2* 44,9 18,0±2,4* 54,0* ПНТ 10,9±0,7* 38,5* 13,9±1,3 48, Примечание: * – достоверные отличия от контроля (P 0,05).
Проведенный многопараметрический анализ показателей флуорес ценции хлорофилла листьев с использованием метода главных компо нент показал, что у всех изученных растений ведущими параметрами являются Fv/Fm, ФСII, qP, ETR. Установлено, что ДРОП-обработки уменьшали величину максимального квантового выхода ФСII (Fv/Fm) у КДР хризантемы (рис. 3), но увеличивали ее у ДДР петунии (рис. 3).
Выявленная разнонаправленная реакция растений, по нашему мне нию, может быть обусловлена тем, что КДР накапливают полисахариды, которые тратятся в ночной период, а ДДР – моносахара, расходуемые непрерывно в течение суток (Цыбулько, 1978). Можно предположить, что кратковременные снижения температуры в ночной период у КДР привели к нарушению оттока запасных веществ, что снизило фотосинте тическую активность и вызвало усиление нагрузки на фотосинтетиче ский аппарат. В то же время у более лабильного по распределению ас симилятов ДДР этого не наблюдалось.
Хризантема (КДР) Петуния (ДДР) Рис. 3. Результаты метода главных компонент по влиянию кратковре менных (ДРОП) и постоянных (ПНТ) низкотемпературных воздействий на показатели флуоресценции хлорофилла у растений в условиях разных фотопериодов: пунктирная линия – фотопериод 8/16 ч;
сплошная линия – 16/8 ч;
звездочки – контроль, кружки – ДРОП-2 ч, ДРОП-6 ч, квадра тики – ПНТ.
ГЛАВА 4. ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ЕЖЕСУТОЧНЫХ СНИЖЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ В ГЕНЕРАТИВНЫЙ ПЕРИОД ОНТОГЕНЕЗА Выращивание на ранних этапах онтогенеза ДДР петунии и НДР бархатцев в условиях неблагоприятного для них короткого фотопериода привело в последействии к значительному замедлению развития: цвете ние наступило только через 2-3 месяца после высадки в открытый грунт, и растения не достигли массового цветения. Выращивание КДР хризан темы при коротком фотопериоде также в последствии привело к замед лению развития – растения образовали бутоны (табл. 2), но не перешли к цветению (табл. 3), что может быть связано с недостаточным для пере хода к цветению пулом фотоассимилятов (Рloeg et al., 2007). При этом ежесуточные кратковременные низкотемпературные обработки способ ствовали значительному ускорению развития растений всех фотоперио дических групп (табл. 2, 3).
Таблица Последействие кратковременных снижений температуры на начало фазы бутонизации Хризантема (КДР) Бархатцы (НДР) Петуния (ДДР) Фотопериод Вариант 8 12 16 24 8 12 16 24 8 12 16 ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч Время от посадки, сут Контроль 112 100 68 72 64 52 54 62 89 65 65 ДРОП-2 ч 111 - 124 62 59 62 65 79 50 82 ДРОП-6 ч - 83 - 88 54 55 62 89 62 59 Примечание:
- – бутонизация не наступила.
Таблица Последействие кратковременных снижений температуры на нача ло фазы цветения Хризантема (КДР) Бархатцы (НДР) Петуния (ДДР) Фотопериод Вариант 8 12 16 24 8 12 16 24 8 12 16 ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч Время от посадки, сут Контроль - 136 99 94 98 74 80 76 99 74 68 ДРОП-2 ч - 140 - - 84 81 72 94 70 92 ДРОП-6 ч - 107 - 130 94 74 80 85 99 65 Примечание:
- – цветение не наступило.
Однако, если у КДР и НДР ускорение развития (наступление фазы бутонизации и/или цветения) отмечалось только в последействии усло вий короткого и нейтрального фотопериодов, то у ДДР это наблюдалось в последействии длинного фотопериода и круглосуточного освещения, что согласуется с литературными данными (Чайлахян, Жданова, 1948), согласно которым охлаждение ДДР, находящихся в условиях короткого дня, во вторую половину темнового периода стимулировало переход к генеративному развитию. Причем, нами показано, что для ускорения цветения у КДР и НДР было достаточно 2-часовых низкотемпературных периодических воздействий, а для ДДР требовалось уже более длитель ное – 6-часовое воздействие. В последействии круглосуточного освеще ния влияние кратковременных снижений температуры на наступление бутонизации и начало цветения не выявлено.
Таким образом, установлено, что ДРОП-воздействие может приво дить к ускорению развития растений, однако его эффект зависит от био логических особенностей вида и фотопериода. Условия короткого фото периода существенно замедлили развитие растений по сравнению с дру гими фотопериодами. Однако при этом кратковременные ежесуточные низкотемпературные обработки способствовали значительному ускоре нию начала фаз бутонизации и цветения исследуемых видов. Впервые нами показано, что с увеличением фотопериода влияние ДРОП на цве тение и бутонизацию уменьшалось и отсутствовало при круглосуточном освещении. Причем для достижения данного эффекта у ДДР с увеличе нием фотопериода требовалось более длительное низкотемпературное воздействие. Эти результаты не только свидетельствуют о тесной связи так называемых температурного и фотопериодического путей регуляции цветения (Аксенова и др., 2006), но и дают основание для предположе ния об участии в этих процессах переменных суточных температур.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Свет и температура являются наиболее важными факторами, регу лирующими одни и те же процессы роста и развития на протяжении все го жизненного цикла растений. Поэтому неудивительно, что существует комплексное взаимодействие между этими двумя сигнальными путями в оптимизации развития растений в природе. Световые и температурные сигналы дают возможность растениям проводить мониторинг окружаю щих условий среды и «предугадывать» их изменения. В связи с этим, изучение взаимодействия света и температуры особенно важно при пе ременных условиях среды.
Полученные в результате комплексного исследования эксперимен тальные данные позволили выявить общие закономерности в реакции растений разных фотопериодических групп на совместное воздействие фотопериода и кратковременных снижений температуры как на ранних этапах онтогенеза, так и в последействии. Подтверждено, что ДРОП обработки вызывают термоморфологический эффект (уменьшение высо ты растений) на ранних этапах у всех исследуемых видов растений, од нако в последействии этот эффект нивелируется. Действительно, в лите ратуре указывается, что для поддержания морфологического эффекта большинству растений требуются ДРОП-обработки в течение всего пе риода выращивания (Myster, Moe, 1995).
Одним из морфологических откликов на ДРОП является выявлен ное в настоящей работе усиление бокового ветвления у растений всех фотопериодических групп, которое особо ярко проявляется при кругло суточном освещении. Именно с усилением бокового ветвления, на наш взгляд, может быть связано увеличение накопления сухой массы у рас тений, подвергнутых действию ДРОП при непрерывном освещении. Из вестно, что усиление бокового ветвления в сочетании с компактной ро зеточной формой свойственно многим северным растениям и отмечалось у многих видов интродуцированных растений, переселенных из различ ных географических районов мира в условия Заполярья (Шавров, 1961;
Юрцев, 1976). Вероятно, реакция растений на периодические кратковре менные снижения температур в условиях круглосуточного освещения может быть одной из адаптивных реакций, свойственных растениям Се вера.
Особого внимания заслуживают впервые полученные в настоящей работе данные по последействию кратковременных низкотемпературных воздействий на последующее генеративное развитие растений. Установ лено, что ДРОП-воздействие приводит к ускорению развития растений, однако его эффект зависит от биологических особенностей вида и фото периода. Так, у КДР и НДР ускорение развития отмечалось в последей ствии короткого и нейтрального фотопериодов, у ДДР это явление на блюдалось в последействии длинного фотопериода. Впервые нами пока зано, что с увеличением светового периода влияние ДРОП на цветение и бутонизацию растений снижалось и отсутствовало при круглосуточном освещении. Причем для достижения данного эффекта у ДДР с увеличе нием фотопериода требовалось более длительное низкотемпературное воздействие. Сходная закономерность ранее отмечалась в литературе по термоморфологическому эффекту (Moe et al., 1995) и впервые показана нами для развития. Таким образом, температурный ДРОП, используе мый на ранних этапах онтогенеза в условиях благоприятных фотоперио дов, ускоряет генеративное развитие растений всех фотопериодических групп. Кроме того, он способствует ускорению генеративного развития длиннодневных растений, выращенных на ранних этапах в условиях не благоприятного для них короткого фотопериода.
Полученные результаты не только свидетельствуют о тесной связи температурного и фотопериодического путей регуляции цветения (Ак сенова и др., 2006), но и дают основание для предположения об участии в этих процессах переменных суточных температур. В нашем экспери менте растения подвергались действию кратковременных снижений температуры, что не позволяет соотнести механизм таких воздействий с известным «температурным путем» регуляции цветения, связанным с инициацией развития постоянными низкотемпературными обработками (феномен яровизации). Его генетический механизм достаточно хорошо изучен: активация генов яровизации VRN (VERNALIZATION – гены яро визации) вызывает блокировку гена репрессии цветения FLC (FLOWERING LOCUS C), что, в свою очередь, ингибирует ген FT (FLOWERING LOCUS T), ускоряя тем самым наступление цветения (Ак сенова и др., 2006;
Lee et al., 2007). Однако исследования последних лет показали, что существует и другой путь, связанный с геном SVP (SHORT VEGETATIVE PHASE), активность которого связана с изменениями тем пературы, напрямую (без участия FLC) контролирующим экспрессию гена FT (Lee et al., 2007). Именно этот механизм, по мнению Ли с соавт.
(Lee et al., 2007), используется растением для контроля начала цветения при флуктуирующих температурах независимо от фотопериода. Данный ген активно экспрессируется в листьях и апикальной меристеме побегов растений на ранних этапах онтогенеза (Tanabe et al., 2004) и изначально был выделен и охарактеризован для растений арабидопсиса (Levy, Dean, 1998), а в последствии – для гороха, клубники (Mouhu et al., 2009), лимо на, эвкалипта (Li et al., 2010), ячменя (Trevaskis et al., 2007), китайской капусты (Lee et al., 2007), павловника (Prakash, Kumar, 2002) и петунии (Immink et al., 1999).
Таким образом, по-видимому, переход к цветению может парал лельно контролироваться и фотопериодом, и температурой. Причем в случае неблагоприятного для перехода к цветению фотопериода у ДДР в качестве альтернативного фотопериодическому может выступать темпе ратурный путь регуляции, связанный с экспрессией гена SVP, вызывае мой перепадами суточной температуры.
В целом, результаты наших экспериментов дополняют современ ные представления об онтогенетических реакциях растений на условия внешней среды, среди которых функциональная роль принадлежит дей ствию переменных суточных температур.
ВЫВОДЫ 1. Морфологическая реакция на ДРОП (уменьшение линейных раз меров) отмечена у растений всех фотопериодических групп. Степень ее проявления зависит от продолжительности низкотемпературного воз действия, длительности фотопериода и типа фотопериодической реак ции растений. В последействии этот эффект не сохраняется.
2. Кратковременные ежесуточные снижения температуры (ДРОП) усиливают боковое ветвление у растений всех фотопериодических групп.
3. В условиях благоприятного для развития фотопериода на ранних этапах онтогенеза ДРОП способствует увеличению накопления зеленых пигментов и доли хлорофиллов в ССК у растений с разной фотоперио дической реакцией.
4. Кратковременные ежесуточные снижения температуры на ранних этапах онтогенеза ускоряют последующее генеративное развитие расте ний независимо от типа фотопериодической реакции. Причем впервые показано, что для достижения данного эффекта у длиннодневных расте ний с увеличением фотопериода необходимо более длительное низкотемпе ратурное воздействие.
5. С увеличением светового периода влияние кратковременных еже суточных снижений температуры на цветение и бутонизацию растений уменьшается и отсутствует при круглосуточном освещении.
6. Впервые установлено, что круглосуточное освещение усиливает реакцию растений на ДРОП: увеличивается боковое ветвление, накопле ние сухой массы, изменяется ее распределение по органам.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Sysoeva M.I., Spiridonova E.A., Sherudilo E.G., Shibaeva T.G. Ef fect of temperature drop on growth, cold resistance and chlorophyll fluores cence of young cucumber plants under different photoperiods // Physiologia Plantarum. 2008. V. 133, N 3. P09-158.
2.Спиридонова Е.А., Сысоева М.И., Шерудило Е.Г. Влияние еже суточных кратковременных снижений температуры и фотопериода на развитие декоративных растений // Ученые записки ПетрГУ. 2010. № (109). С. 18-21.
В прочих периодических изданиях:
3. Спиридонова Е.А. Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры при нейтральном и круглосуточном освещении на рост растений огурца // Материалы докл. I Всерос. молодежной научн.
конф. «Молодежь и наука на Севере (Сыктывкар, 14-18 апреля 2008 г.).
Т. 3. Сыктывкар, 2008. С. 278-280.
4. Спиридонова Е.А., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г., Сысоева М.И.
Экологически чистые технологии выращивания тепличных растений огурца на Севере // Материалы Всерос. научн. конф. с международным участием «Экологические проблемы Северных регионов и пути их ре шения» (14-16 октября 2008 г.). Ч. 2 Апатиты, 2008. С. 102-103.
5. Спиридонова Е.А., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г., Сысоева М.И.
Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры на формирование габитуса растений огурца в условиях разных фотоперио дов // Материалы Всерос. конф. «Фундаментальные и прикладные про блемы ботаники в начале XXI века» (Петрозаводск, 22-27 сентября 2008 г.). Ч. 6. Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 2008. С. 125-127.
6. Спиридонова Е.А., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г., Сысоева М.И.
Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры на рост, устойчивость и состояние фотосинтетического аппарата растений огурца в условиях разных фотопериодов // Тез. докл. Годичного собрания ОФР России и Междун. научн. конф. «Физико-химические основы структур но-функциональной организации растений». Екатеринбург: Изд-во Урал.
ун-та, 2008. С. 385-386.
7. Спиридонова Е.А., Сысоева М.И., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г.
Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры и фото периода на развитие декоративных растений // Тез. докл. XV Школы «Актуальные проблемы биологии развития» (19-24 октября 2008 г.).
Звенигород, 2008. С. 104-106.
8. Spiridonova E., Sysoeva M., Sherudilo E., Shibaeva T. Effect of temperature drop on growth and development of ornamental plants under dif ferent photoperiods // Paper collection of scientific conference «Youth seeks progress – 2009» (Kaunas, 2-5.04.2009). Akademija, 2009. P. 52-53.
9. Спиридонова Е.А., Сысоева М.И., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г.
Реакции растений огурца на кратковременные и длительные снижения температуры в условиях разных фотопериодов // Труды КарНЦ РАН.
Сер. Экспериментальная биология. № 3. 2009. С. 86- 10. Спиридонова Е.А., Сысоева М.И., Шерудило Е.Г., Шибае ва Т.Г. Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры на рост декоративных растений в условиях круглосуточного освещения // Тез. докл. Междун. научн. конф. «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 7-11.06 2009 г.). Апатиты: ООО «КазМ», 2009. С. 312-313.
11. Спиридонова Е.А. Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры на рост растений огурца в условиях разных фо топериодов // Тез. докл. 13-й Междун. Пущинской школы-конференции «Биология – наука XXI века» (28 сентября-2 октября 2009 г., Пущино).
Пущино, 2009. С. 246.