790.влияние селена на физиолого биохимические процессы при адаптации растений картофеля к гипотермии

На правах рукописи

ПРУДНИКОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НАФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ ПРИ АДАПТАЦИИРАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ К ГИПОТЕРМИИ

Специальность 03.00.12 — Физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва - 2007 ^ /> /£

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Работа выполнена на кафедре ботаники в ФГОУ ВПО «Орлов-ский государственный университет»

Научный руководитель- доктор биологических наук, профессорПузнна Тамара Ивановна

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессорКондратьев Михаил Николаевич

кандидат биологических наук, доцентЖнвухнна Елена Александровна

Ведущее учреждение: Институт физиологии растений им. К.А Тими-рязева РАН

Защита состоится « A ? y>*s*Xf-' 2007 г в<_^££-часов на за-седании диссертационного совета Д 220.043 08 при ФГОУ ВПО «Рос-сийский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева» по адресу: 127550, Москва, Тимирязевская ул , 49.

С диссертацией можно ознакомиться в • > iсударственного аграрного университета - М О \щзева.

Автореферат разослан«<% »сети Интернет на сайте Университета www timacad t<

Ученый секретарьдиссертационного совета


; М'АУ-МСААимгни К.А. Тимирязева

] ЦЧБ имени Н.И. ЖелезноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТЙКАэРАБОЗЭДЛДтературы

!__№ Л-Я7-/УЗАктуальность проблемы. В процессе эволюции в раститель-

ном организме выработались различные регуляторные системы (Кур-санов, 1984; Полевой, 1986; Опритов и др., 1991). Благодаря им осу-ществляется поддержание гомеостаза растения в различных условияхсреды. Изучение регуляторных процессов и их взаимодействия — однаиз центральных задач современной физиологии растений.

Трофическая система регуляции включает действие питатель-ных веществ: органических и минеральных. Показано, что питатель-ное значение микроэлементов ограничено, и на первый план выходитих регуляторная роль (Школьник, Копмане, 1970; Пейве, 1980). Надоотметить, что в регуляции физиологических процессов растений важ-нейшее значение придается фитогормонам (Якушкина, 1980; Полевой,1982; Abeles et al., 1992). Однако данные по влиянию микроэлементовна гормональный статус растения немногочисленны и противоречивы(Школьник, 1974; Кутачек, Йирачек, 1974; Hossain et al., 1998; Li et al.,2001; Пузина, 2004). Особенно это касается микроэлемента селена. Вединичных исследованиях (Вихрева, 2001; Солдатов, 2005) имеютсясведения о действии селена на содержание отдельных групп фитогор-монов (цитокининов и гиббереллинов). Поэтому остается неяснымнасколько регуляторное действие селена опосредовано изменениями вгормональном балансе растений.

Селен обладает антиоксидантным эффектом. Он входит в составряда ферментов (глутатионпероксидазы, глутатион-8-трансферазы),принимающих участие в поддержании перекисного гомеостаза. Анти-оксидантные функции селена исследованы в основном на примереживотных организмов (Chy et al., 1993; Gamble et al., 1997; Gantbe,1999). Крайне мало работ по влиянию селена на антиоксидантнуюсистему защиты растительных организмов (Вихрева и др., 2001; Куз-нецов и др., 2003; Солдатов, Хрянин, 2004). Большинство исследова-ний посвящено изучению обогащения растениеводческой продукциимикроэлементом селеном в связи с его низким содержанием в почвах(Ермаков, Ковальский, 1974; Ylaranta, 1993; Машкова, 1998; Голубки-на, 1999;).

В настоящее время практически не изучен характер взаимодей-ствия гормональной и антиоксидантной систем в регуляции физиоло-гических процессов. Вместе с тем показано, что между ними сущест-вует функциональная сопряженность (Веселое, 2001). Так, фитогор-моны могут активировать экспрессию генов ферментов антиоксидант-ной защиты (Xiang et al., 1996; Guan, Scandalios., 1998; Веселов, 2001),интенсифицируют окислительные процессы (Якушкина, 1983), по-

1


ставляющие активные формы кислорода (Basaga, 1990, Аверьянов,1991, Владимиров, 2000, Dat et a l , 2000) В свою очередь, компонентыантаоксидантной системы могут регулировать метаболизм фитогор-монов (Гуськов, 1991, Kim et al , 2000, Орлова, 2004) Поэтому изуче-ние взаимодействия антиоксиданта селена и фитогормонов даст воз-можность наметить пути регуляции роста и продуктивности растений

Остается малоисследованной проблема регуляции физиолого-биохимических процессов растений с помощью микроэлемента селенав условиях стресса и последующей адаптации. Особенно это касаетсявлияния температурного фактора (Вихрева, 2001, Солдатов, 2006)Протекторный эффект селена в условиях действия заморозков на рас-тения не изучался Вместе с тем, для растений Solarium tuberosum (L )на первых этапах вегетации температура (-1) — (-2°С) является губи-тельной (Гупало, Гончарик, 1971)

Цель и задачи исследования:Цель данной работы состояла в выявлении специфики физиоло-

го-биохимического действия микроэлемента селена в растении карто-феля при оптимальных температурных условиях и адаптации к гипо-термии (-2°С) Одновременно уделяли внимание изучению характеравзаимодействия селена и фитогормонов (ИУК) в регуляции физиоло-гических процессов

В соответствии с этой целью были поставлены следующие экс-периментальные задачи

- изучить влияние микроэлемента селена на гормональный ста-тус 30-дневных побегов возобновления и листьев растений через 15дней после появления всходов в условиях оптимальной температуры ипри адаптации растений картофеля к гипотермии (-2°С),

- исследовать особенности действия селена на активность фер-ментов антиоксидантной системы (пероксидаза, каталаза) при адапта-ции растений к гипотермии,

- выяснить влияние селена на интенсивность перекисного окис-ления липидов мембран в оптимальных температурных условиях ипри адаптации к стрессу;

- исследовать действие селена на фотосинтетическую деятель-ность (содержание пигментов, фотохимическую активность хлоропла-стов, чистую продуктивность фотосинтеза), интенсивность дыханияорганов растений картофеля;

- выявить действие селена на ростовые процессы и продуктив-ность картофеля при адаптации к гипотермии,

- сопоставить изменения в гормональном балансе растений подвоздействием селена с активностью антиоксидантных ферментов иинтенсивностью физиологических процессов.


- установить характер взаимодействия антиоксиданта селена иауксина в регуляции гормонального статуса, активности антиокси-дантной системы, интенсивности физиологических процессов;

- наметить пути повышения темпов роста и продуктивности рас-тений картофеля с помощью микроэлемента селена и фитогормонов встрессовых условиях среды.

Научная новизна. Полученный экспериментальный материалразвивает представления об эндогенных механизмах физиологическо-го действия микроэлемента селена в оптимальных условиях среды ипри стрессе.

Впервые выявлены особенности влияния антиоксиданта селенана гормональный статус растений картофеля в оптимальных темпера-турных условиях, при действии гипотермии (-2°С) и в первые часыпоследействия стрессора.

Впервые исследовано влияние селена на поддержание перекис-ного гомеостаза растения в условиях кратковременного действия от-рицательной температуры.

Экспериментально обосновано, что действие селена на работуферментов антиоксидантной системы, липопероксидациго мембран иинтенсивность физиологических процессов, по крайней мере, частич-но, опосредовано специфическим изменением гормонального статусарастения.

Приоритетными являются данные по выявлению характеравзаимодействия антиоксиданта селена и ауксина (при совместномприменении) в действии на гормональный баланс, антиоксидантнуюсистему, физиологические процессы и продуктивность растений кар-тофеля.

Практическая значимость работы. Установленные законо-мерности действия антиоксиданта селена и ИУК при раздельном исовместном применении на физиолого-биохимические процессы врастении картофеля в оптимальных температурных условиях и приадаптации к гипотермии (-2°С) создают основу для использования се-лена и регуляторов роста в практике картофелеводства. Полученные вработе данные могут быть использованы в преподавании физиологиии биохимии растений, спецкурсах «Экологическая физиология расте-ния», «Природные и синтетические регуляторы роста растений», «Фи-зиологические основы минерального питания растений».

Работа выполнялась в рамках программы НИР Министерстваобразования и науки РФ, тема: «Регуляция роста и развития растений»(номер госрегистрации 6.34.31.00).

Апробация работы. Результаты исследований были представ-лены на V съезде Общества физиологов растений России и приуро-


ценной к нему конференции «Физиология растений России — основафитобиотехнологин» (Пенза, 2003), Всероссийских научно-практических конференциях «Продукционный процесс сельскохозяй-ственных культур» (Орел, 2004; 2006), Годичном собрании Обществафизиологов растений России и приуроченной к нему Международнойнаучной конференции «Проблемы физиологии растений Севера»(Петрозаводск, 2004), III Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004),Международной научно-практической конференции «Количественныеметоды и информационный потенциал энтомологии и апидологии»(Орел, 2005), Годичном собрании общества физиологов растений Рос-сии и приуроченной к нему Международной научной конференции«Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранениябиоразнообразия» (Вологда, 2005), I (IX) Международной конферен-ции молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2006), на научных семина-рах кафедры ботаники Орловского госуниверситета (Орел, 2003 -2006)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 пе-чатных работ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 146страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора лите-ратуры (3 главы), экспериментальной части (4 главы), заключения,выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Работа содер-жит 28 таблиц, 35 рисунков Список используемой литературы вклю-чает 271 источник, в том числе 84 зарубежных авторов

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯОбъектом исследований были растения картофеля {Solanum ш-

berosum L ) сорта Скороплодный селекции ВНИИ картофельного хо-зяйства (Россия, Коренево)

Вегетационные, полевые и лабораторные опыты проводили в2002 — 2006гг на базе агробиостанции и лаборатории физиологии ибиохимии растений кафедры ботаники Орловского государственногоуниверситета

В почвенную культуру вносили оптимальные количества длякартофеля азота, фосфора и калия (NaooPeoKisoX соответственно 2 3 г,0 7г, 3 1г элемента на сосуд с 10кг серой лесной среднесуглинистойпочвы, содержащей 0 23мг/кг селена В сосуде выращивали одно рас-тение Площадь учетной делянки в полевом опыте - 28м2 В -шбора-торных условиях клубни картофеля помещали в ящики с увлажнен-ными опилками и проращивали в начале в темноте, а после появленияна поверхности субстрата побегов возобновления — в люминостате«Флора-1» при температуре 20±2°С и 14-часовом освещении


Варианты опыта. Варианты опыта включали предобработкупосадочных клубней (замачивание на 6 часов), а также опрыскиваниерастений через 15 дней после появления всходов 5.810"3мМ раство-ром Na2SeO3 (2.6-Ю'3мМ Se), 5.7*10'5М раствором ИУК и смесью рас-творов Na2SeO3+HyK (в указанных концентрациях). Гипотермию соз-давали, помещая ящики с 30-дневными побегами возобновления внизкотемпературный шкаф (Т 25/01) на два часа при температуре -2°С. Листья 7 яруса срединной формации, срезанные с растений через15 дней после появления всходов, подвергали одночасовой гипотер-мии (-2°С). Для выявления протекторных свойств селена в условияхпоследействия гипотермии на конечную продуктивность растений,материнские клубни с 10-дневными побегами возобновления подвер-гали воздействию 2"-часовой гипотермии (-2°С) и высаживали в поч-венную культуру, а также в условия полевого мелкоделяночного опы-та.

Для анализов отбирали средние пробы: 30-дневных побегов во-зобновления и их придаточных корней (лабораторные опыты); листьевседьмого яруса срединной формации через 15 дней после появлениявсходов; листьев, стеблей надземной части побегов, корней, форми-рующихся клубней в фазу бутонизации и цветения; клубней в концевегетации растений.

Содержание ИУК, зеатина, АБК в органах картофеля определя-ли методом твердофазного иммуноферментного анализа (Кудоярова и 'др., 1986, 1990; Веселов, Кудоярова, 1990) с использованием реакти-вов фирмы "Уралинвест" (Уфа). Содержание гибберелловой кислоты(ГА3) определяли методом биологической пробы. Биотестом служилипроростки гороха сорта Шустрик (ВНИИ ЗБК, Орел). В качестве стан-дартных растворов фитогормонов были взяты: ИУК, зеатин, АБК("Serva", Германия), ГА3 ("Phylaxia", Венгрия).

Чистую продуктивность фотосинтеза определяли по методу(Ничипорович, Власов, 1961); фотохимическую активность хлоропла-стов - потенциометрическим методом по скорости фотовосстановле-ния ферроцианида калия (Зеленский, Клементьева, 1969); содержаниехлорофилла и каротиноидов — спектрофотометрически (Гавриленко идр., 1975). Интенсивность дыхания измеряли по количеству выде-ляющегося СОг в приборах для наблюдения газообмена при дыханиирастений («Физприбор», Россия). Активность пероксидазы определя-ли методом Бояркина (Ермаков, 1987) с использованием бензидина;каталазы - по количеству выделяющегося кислорода при разложенииН2О2 (Ермаков, 1987); а-амилазы по количеству гидролизованногокрахмала (Ермаков, 1987). Содержание малонового диальдегида - ко-нечного продукта ПОЛ оценивали по реакции взаимодействия с тио-


барбитуровой кислотой (Стальная, Гаришвили, 1977) Содержаниеселена в органах картофеля и почве определяли спектрофлуориметри-ческим методом согласно МУК 4 1 033-95 (Тутельян и др, 1995) наспектрофлуориметре Hitachi MPF — 2А (Япония), крахмала в клубнях— на сахариметре ("СО-4", Россия) Объем корней измеряли методомСабинина и Колосова (Третьяков, 1990) Ростовую активность органовопределяли по относительной скорости роста

В таблицах и рисунках представлены средние арифметическиеиз 3 — 10-кратных биологических повторностей и их стандартныеошибки Аналитическая повторность 5 — 7-кратная Результаты иссле-дований были подвергнуты статистической обработке (Лакин, 1980)Достоверность результатов оценивали с помощью критерия Стьюден-та, считая достоверными различия при уровне доверительной вероят-ности выше 0,95. Компьютерную обработку данных осуществляли наIBM PC с помощью программ SPSS 11.5 и EXCEL

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Влияние селенита натрия на содержание и соотношениефитогормонов в растении картофеля в оптимальных температур-ных условиях и при адаптации к гипотермии

Фитогормоны являются одними из основных эндогенных регу-ляторов, определяющих ответные реакции растения на воздействиеразличных факторов внешней среды (Полевой, 1982, Кулаева, 1995) Сцелью выяснения реакции гормональной системы картофеля на воз-действие селена проведены исследования изменений содержанияИУК, зеатина, ГАз, АБК в оптимальных температурных условиях, при2"-часовой гипотермии (-2°С) и в первые часы последействия стрессо-ра При обогащении клубней селеном, отмечалось существенное воз-растание количества ИУК в побегах возобновления (рис. la), сниже-ние содержания зеатина (рис. 16) и АБК (рис. 1в), в результате возрас-тало соотношение ИУК/АБК Увеличение ИУК возможно связано сингибированием селеном активности ИУК-оксидазы, а уменьшениезеатина со снижением уровня пуринов — предшественников в биосин-тезе цитокининов В читературе имеются такие сведения (Kwid et a l ,1989)

При 2к-часовом воздействии отрицательной температурой (-2°С)в побегах возобновления произошли значительные изменения в гор-мональном статусе резко снизилось количество зеатина и ИУК, вменьшей степени - содержание АБК В ряде работ (Кузнецов и д р ,1991, Hansen, 2000, Таланова, Титов, 2004, Пустовойтова и др , 2004)при действии других стрессоров отмечается возрастание уровня АБК

8


Тем не менее, как и в наших опытах, в исследованиях (Веселов и др.,2002) наблюдалось снижение количества АБК при действии гипотер-мии на растения.

12 -1 1 • Контроль-г—О Na2SeO3- - * - - ИУК- - А-- Na2SeO3+MYK

350-

300-2 5 0

200 Н

150

100

50

03 4

Рис. 1. Содержание ИУК, зеатина, АБК в побегах возобновления рас-тений картофеля при адаптации к гипотермии.1 — оптимальные температурные условия, 2 — 2х-часовая гипотермия,3 — через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стресса.

Действие селена в условиях стресса проявилось в сдерживаниипадения уровня ИУК, зеатина и увеличении количества АБК.

Было важным изучить ответ гормональной системы растений,обогащенных селеном, в первые часы последействия стрессора, таккак это дает возможность выявить первичные реакции, регулирующиепроцесс выхода растения из состояния стресса. Приведенные данные(рис.1) показывают, что селен способствовал более раннему восста-новлению содержания ИУК до первоначального значения (в периодмежду 4 — 24 часами после действия стрессора) и наиболее интенсив-ному накоплению абсцизовой кислоты. К 24 часам адаптации соотно-


шение ИУК/АБК существенно возросло за счет стабилизации накоп-ления АБК.

Доказательством участия ауксина в регуляции процесса адапта-ции растений картофеля к гипотермии (-2°С) явились опыты с исполь-зованием экзогенной ИУК Обработка клубней ИУК повысила абсо-лютное содержание ауксина в побегах возобновления, особенно в пе-риод действия стрессора и в первые часы последействия (рис Л а)

6050-403020-100 n

- 1 -

-L

Tт1

Рис. 2. Содержание гибберелловой кислоты в листьях растений кар-тофеля через 15 дней после появления всходов1 - контроль, 2 - Na2SeO3, 3 - ИУК, 4 - Na2SeO3+HyK

Данные, полученные по совместному применению селенита на-трия и ИУК, позволили выявить характер взаимодействия селена иИУК. Отмечен синергизм в их действии на уровень ауксина, зеатина иАБК (рис.1), что может служить указанием на то, что селен и ИУКпервоначально регулируют разные звенья метаболизма фитогормонов

В листьях селенит вызвал резкое возрастание гибберелчовой ки-слоты (рис 2), одновременно, существеннее, чем в побегах возобнов-ления, снизил уровень АБК (рис Зв) Можно предположить, что про-тивоположный эффект сечена на содержание данных групп гормоновсвязан с регуляцией метаболических «вилок» в их биосинтезе (Кефелии др., 1989).

При воздействии на листья срединной формации (7 ярус), отде-ленные от стебля, температурой -2°С в течение часа обработка селе-нитом вызвала аналогичные с побегами возобновления изменения вгормональном балансе (рис 3) В условиях последействия стрессораселен в большей степени, против побегов возобновления, увеличилуровень ИУК и зеатина в листьях По-видимому, в данном случаеимела значение тканеспецифичность Синергизм селена и ИУК в дей-ствии на гормональный баланс проявился и в листьях

10


60 -I

50-38 40-

1.20-

10

0

КонтрольNa2SeO3

- - Л - - Na2SeO3+HYK

tl5-

4

3,0

2,5-

1.5-

. 1,0

0.5

0,0

Рис. 3. Содержание ИУК, зеатина, АБК в листьях растений картофелячерез 15 дней после появления всходов при адаптации к гипотермии.1 — оптимальные температурные условия, 2 — одночасовая гипотер-мия, 3 - через 4 часа после стресса, 4 - через 24 часа после стресса.

Таким образом, обогащение картофеля микроэлементом селе-ном оказало специфическое влияние на гормональный статус приадаптации растений к гипотермии (-2°С).

2. Влияние селенита натрия на работу ферментов антиокси-дантной системы и перекисное окисление липидов в оптимальныхтемпературных условиях и при адаптации к гипотермии

В адаптации растений к стрессовым условиям, наряду с фито-гормонами важное место занимает антиоксидантная система, нейтра-лизующая активные формы кислорода и сохраняющая структурно-функциональное состояние клеточных мембран (Bowler et al., 1992;Лукаткин, 2002; Трунова и др., 2003; Синькевич и др., 2006). Извест-но, что селен входит в состав глутатионпероксидазы и глутатион-S-трансфераз (Behne et al., 1988; Chy et al., 1993; Takahashi, 1995;Breusegem et al., 2001), однако важно изучить его влияние на работу

11


других ферментов антиоксидантной защиты, поддерживающих пере-кисный гомеостаз Данные такого рода противоречивы (Вихрева,2001; Кузнецов, 2004) Отсутствуют сведения о действии селена наработу антиоксидантной системы в условиях кратковременного дей-ствия отрицательной температуры Чтобы установить функциональ-ную взаимосвязь гормональной и антиоксидантной систем, важно бы-ло сопоставить изменения в активности ферментов - антиоксидантовпод влиянием селенита с эндогенным уровнем фитогормонов Для до-казательства наличия такой взаимосвязи были проведены опыты с эк-зогенной ИУК

Результаты проведенных экспериментов показали, что при оп-тимальных температурных условиях селен повысил активность анти-оксидантных ферментов - каталазы и пероксидазы, ответственных задезактивацию перекисей (рис 4, табл 1). Увеличение активности от-мечено как в 30-дневных побегах возобновления, так и в листьях рас-тений картофеля через 15 дней после появления всходов на фоне по-вышенного содержания ИУК, ГА3 и их соотношения с АБК. Согласноданным литературы, ИУК образует комплексы с молекулами фермен-тов-антиоксидантов (Feldwisch et a l , 1994), что, по-видимому, можетизменять их каталитическую активность В наших опытах с экзоген-ной ИУК активность изучаемых ферментов также увеличивалась Неисключено, что ГА3 может оказывать активирующее влияние на экс-прессию генов каталазы и пероксидазы В литературе имеются сведе-ния о том, что гиббереллины на свету вызывают образование перок-сидазы (Schopfer et al., 2001)

6

I я6 4

то ога

§ 1

£ о2 3

уел

<о<пгасг

Пер

коси

,

5-|4 -4 -

з .3 -

1 -1 -

- ф —

* -

1— Контроль

- ИУК

б

^ -

2—о-- - А-

- Д .

^ д

3 4— Na2SeO3- Na2SeO3+HYK

Рис. 4. Активность каталазы и пероксидазы в побегах возобновлениярастений картофеля при адаптации к гипотермии1 — оптимальные температурные условия, 2 — 2*-часовая гипотермия,3— через 4 часа после стресса, 4 - через 24 часа после стресса

12


Таблица 1. Активность каталазы и пероксидазы в листьях растенийкартофеля через 15 дней после появления всходов

Вариант


ИУКNa2SeO3+HyK

Каталаза, мл Ог/мин

0.85±0.051.36±0.081.62±0.101.54±0.09

Пероксидаза, усл. ед.

1.78±0.112.29±0.142.37±0.152.55±0.16

В процессе действия отрицательной температуры (-2°С) пози-тивное действие селена на активность пероксидазы и каталазы не-сколько увеличилось, при существенном накоплении АБК, которая вусловиях стресса, по данным (Guan, Scandalios., 1998), оказывает сти-мулирующий эффект на экспрессию генов ферментов-антиоксидантов. Максимальное усиление антиоксидантной защитыпод воздействием селена отмечено в первые четыре часа после дейст-вия стрессора (рис.4). Этому периоду адаптации растений соответст-вовало резкое возрастание не только АБК, но и ИУК (рис.1), действиекоторой в ходе развития стресс-реакций связывают со способностьюпередавать сигнал внутрь клетки на геном, индуцируя механизм защи-ты, в частности, экспрессируя гены глутатион-Б-трансфераз (Xiang etal., 1996), каталазы (Guan, Scandalios, 2002). К 24 часам после стрессау растений, обогащенных селеном, наблюдали существенное умень-шение активности каталазы и пероксидазы по сравнению с контролем,что указывает на более раннее восстановление перекисного гомеоста-за.

В опытах с экзогенной ИУК при адаптации к гипотермии (-2°С)наблюдали стимуляцию активности ферментов, что подтверждаетзначение эндогенного уровня данного гормона и его соотношения сАБК в повышении устойчивости растений картофеля к действиюстрессора. Совместное применение селенита натрия и ИУК усилилоих стимулирующее действие на активность каталазы и пероксидазы,то есть проявился синергизм. Таким образом, селен и ИУК действуютна ферменты-антиоксиданты более или менее непосредственно.

Постоянно протекающий в мембранах процесс липопероксида-ции является чрезвычайно чувствительным к воздействию различныхнеблагоприятных факторов среды (Dat et al., 1998; Tang et al., 1999;Лукаткин, 2002; Дерябин и др., 2003). Определение содержания мало-нового диальдегида - конечного продукта перекисного окисления ли-пидов мембран показало снижение его уровня под влиянием обработ-ки селенитом на фоне активизации работы ферментов, утилизирую-щих перекиси (рис. 5).

13


В условиях действия отрицательной температуры селен почтиполностью предотвращал увеличение интенсивности ПОЛ К 24 часампоследействия гипотермии процесс липопероксидации у растений,обработанных селенитом, достиг бесстрессового уровня, тогда как вконтроле процесс стабилизации ПОЛ еще продолжался ЭкзогеннаяИУК также способствовала сохранению целостности мембран Боль-ший эффект отмечен при совместном применении с селенитом натрия.

35

0 30-to

1 2 5

Ьо- 1 5

1 10

S 05

00

« Контроль

—»—Na2SeO3

- - * - - ИУК

- - д- - Na2SeO3

Рис. 5. Содержание малонового диальдегида в побегах возобновлениярастений картофеля при адаптации к гипотермии.1 — оптимальные температурные условия, 2 - 2"-часовая гипотермия,3 — через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стресса

Таким образом, подавление процессов ПОЛ под влиянием селе-на при адаптации растений картофеля к гипотермии (-2°С), опосредо-вано активизацией ферментов антиоксидантной защиты при участиифитогормонов

3. Влияние селенита натрия на интенсивность физиологиче-ских процессов и продуктивность картофеля в оптимальных тем-пературных условиях и при адаптации к гипотермии

Защитный эффект селена не ограничивается лишь его антиокси-дантным действием, а, очевидно, носит полифункциональный харак-тер Он может распространяться на многие физиологические процессырастения Это следует из того, что селен, изменяя гормональный ста-тус органов растения, может регулировать физиологические процессыи, как следствие, продуктивность

Дыхание растений. Усиление дыхания относится к первичнымнеспецифическим процессам при действии стрессоров (Селье, 1979,Полевой, 1989) Для выяснения вопроса о возможности регуляторного

14


действия селена на процесс дыхания изучали изменение интенсивно-сти процесса при адаптации растений картофеля к действию отрица-тельной температуры (-2°С) К настоящему времени влияние селенана дыхание организмов в стрессовых условиях не исследовано. Со-гласно полученным данным, в оптимальных температурных условияхинтенсивность дыхания у растений, обогащенных селеном, возрастала(рис 6) Такой результат может быть связан с большим содержанием ворганах картофеля ИУК и соотношением ИУК/АБК Положительнуюроль ауксина в дыхательном обмене отмечали многие авторы (Жолке-вич и др , 1972, Якушкина, Кулакова, 1984; Лузина, 1999) В опытах сэкзогенной ИУК также наблюдали интенсификацию дыхания (рис 6)

70-1

60-

840 -

3 0 -

2 0 -

10

0

Sо

16-1

14 •

12 •

I D -

S '

6 -

4 -

2 -

б

7'/'//

'v

1 ? Т 4« Контрольо Na2SeO3

--•*-- ИУК- - Д- - Na2SeO3+nyK1 2 3 4

Рис. 6. Интенсивность дыхания растений картофеля при адаптации кгипотермии1— оптимальные температурные условия, 2 — гипотермия (-2°С),3 — через 4 часа после стресса, 4 — через 24 часа после стрессаа - побеги возобновленияб - листья срединной формации растений через 15 дней после появле-ния всходов

В условиях действия стрессора (-2°С) селен несколько сдержи-вал нарастание дыхания на фоне возрастания АБК При выходе расте-ний из состояния стресса селен ускорил стабилизацию процесса дыха-ния Уже через 4 часа после действия отрицательной температурыотмечено снижение интенсивности процесса В это время наблюдалиболее резкое увеличение абсцизовой кислоты В контрольных расте-ниях торможение дыхания наступило позднее.

Сравнение динамики стабилизации дыхания разных органовкартофеля под воздействием селенита выявило их разную чувстви-тельность к отрицательной температуре Листья при одночасовой ги-

15


потермии (-2°С) медленнее выходили из состояния стресса. Физиоло-гический механизм такой чувствительности может быть связан с бо-лее высоким содержанием ауксина (рис. 3). Стабилизация действияселена на процесс дыхания при адаптации побегов возобновления кгипотермии проявилась и при совместном применении с ИУК.

Фотосинтетическая активность растений. В настоящеевремя в малочисленных исследованиях получены неоднозначные ре-зультаты по влиянию микроэлемента селена на фотосинтетическуюдеятельность растений (Дианова, 1999; Серегина и др., 2001; Солда-тов, 2005; Гирева, 2005). Обогащение растений картофеля селеном непривело к достоверному увеличению хлорофилла в листьях, напротив,содержание каротиноидов существенно повысилось (табл.2). Измене-ния в пигментном составе происходили при уменьшении содержания

Таблица 2. Влияние селенита натрия и Итетической деятельности растений карто(

Вариант


ИУКNa2SeO3+HyK

Содержание пиг-ментов , мкг/г сухоймассыхлоро-филл(а+Ь)

760.4±58790.2±61830.7±67810.5±73

кароти-ноиды

21.1±2.035.5±3.337.3±2.239.7±2.8

УК на показатели фотосин-эеля

Фотохими-ческая ак-тивностьхлоропла-стов ,мМ ферро-цианида /(мг Хл ч)

11.3±0.716.2±0.920.0±1.321.5±1.2

Чистаяпродуктив-ность фото-

•»синтеза ,г/(м2 сут)

0.95±0.051.24±0.071.45±0.091.55±0.08

* листья 7 яруса срединной формации растений через 15 дней послепоявления всходов** в период между бутонизацией и цветением

зеатина и повышении ГАз и ИУК. Экспериментальные данные рядаисследователей указывают на значение данных групп фитогормонов вбиосинтезе хлорофилла (Кулаева, 1987; Муромцев и др., 1987; Кузь-мина, 1997). Можно полагать, что сложившаяся гормональная ситуа-ция под влиянием селенита не способствовала накоплению зеленыхпигментов. Отсутствие эффекта наблюдали также и в опытах с экзо-генной ИУК. Как следует из приведенных данных, селен снизил соот-ношение хлорофилл (а+Ь)/каротиноиды (22 против 36 в контроле) засчет увеличения доли каротиноидов в светособирающем комплекселиста. Наряду со светособирающей, каротиноиды выполняют и свето-

16 -


защитную функцию, заключающуюся в предохранении хлорофилла отфотоокисления активными формами кислорода (Карнаучов, 1988)Таким образом, можно полагать, что одна из протекторных функцийселена связана с повышением уровня каротиноидов — низкомолеку-лярных антиоксидантов

Для определения потенциальных возможностей фотосинтети-ческого аппарата использовали характеристику фотохимической ак-тивности изолированных хлоропластов (табл 2) Отмечено возраста-ние скорости фотовосстановления ферроцианида калия под влияниемселенита. Это может быть связано с изменениями в гормональном ба-лансе листьев, способствующими ускорению переноса электронов(Скоробогатова, Якушкина, 1986, Кренделева и др , 1998). В опытах сэкзогенной ИУК подтвердилась эта зависимость Не исключено, чтоположительное влияние селена на световые реакции фотосинтеза обу-словлено его антиоксидантной функцией - ослаблением перекисногоокисления липидов мембран члоропластов (рис 5)

Интегральным показателем фотосинтетической деятельностирастений является интенсивность ассимиляции углекислоты Обога-щение растений картофеля селеном повысило чистую продуктивностьфотосинтеза (табл 2), по-видимому, как за счет интенсификации пер-вичных процессов фотосинтеза (ФХА хлоропластов), так и за счет ак-тивации ферментов, участвующих в ассимиляции углерода на фонеповышения уровня ГА3 и ИУК. В литературе отмечается, что гиббе-реллины и ауксин активизируют работу РДФ-карбоксилазы (Popova,Vaklinova, 1983, Назарова и д р , 1992)

Стимулирующее действие селена на фотосинтетическую актив-ность растений картофеля проявилось в большей степени при совме-стном применении с ИУК, что также может свидетельствовать о ролигормональной системы в регуляторной функции селена.

Ростовые показатели растений. Данные литературы по влия-нию селена на рост и продуктивность растений весьма противоречивы(Ylaranta, 1986, Торшин и д р , 2001, Ниловская, Серегина, 2003, Куз-нецов, 2004) Во многом это зависит от применяемых доз селена Привыяснении концентрационной зависимости действия селена на рост ипродуктивность растений картофеля оптимальным оказался 5 8'10мМ раствор селенита натрия, содержащий 2 6 10 3 мМ селена

Оптимальная концентрация селенита натрия увеличила росто-вые показатели побегов возобновления и их придаточных корней, вы-ращенных в лабораторных условиях (табл 3) Больший стимулирую-щий эффект селена проявился на росте корней, что имеет важное зна-чение для растений картофеля, характеризующихся слаборазвитой

17


корневой системой по сравнению с другими культурами (Гончарик,1971; Коровкин, 2005).

Таблица 3. Влияние селенита натрия и ИУК на ростовые показателипобегов возобновления картофеля и их придаточных корней, выра-щенных в лабораторных условиях

Вариант

Контроль

Na2SeO3

ИУК

Na2SeO3+HyK

Высотапобега, мм

37.29±2.51

48.13±3.10

54.74±4.65

58.37±4.09

Сыраямасса по-бега, г

0.73±0.02

0.93±0.03

1.01±0.06

1.12±0.07

Объемкорневойсистемы,см3

3.26±0.23

4.56±0.30

4.97±0.39

5.08±0.38

Длина кор-невой сис-темы, м

4.04±0.32

5.73±0.42

6.41±0.44

6.81±0.47

Положительное действие селена на ростовые показатели орга-нов картофеля сохранилось и на более поздних этапах развития расте-ния (фаза бутонизации). И в данном случае, максимальный эффектпроявился в росте подземных органов и, прежде всего, клубней (табл.4). Это произошло на фоне усиления под воздействием селенита на-трия фотосинтетической деятельности (табл. 2) и увеличения (на 30%)

Таблица 4. Влияние селенита натрия и ИУК на массу растений кар-тофеля, выращенных в почвенной культуре (фаза бутонизации)

Вариант

Контроль

Na2SeO3

ИУК

Na2SeO3+HyK

Сырая масса, г на растение

листья

84.5±5.1119.5±8.3118.0±7.1131.0±10.4

стебли

60.6±4.8108.0±8.170.5±3.5110.0±7.3

клубни

41.4±3.369.2±4.484.0±6.173.2±5.0

корни

10.7±0.7 '16.3±1.016.0±1.017.4±1.1

общаямасса

197.2±16.7313.0±23.7288.5±19.5331.6±24.2

отношения сухой массы клубни/листья (0.66 против 0.51 в контроле),что косвенно свидетельствует об улучшении оттока ассимилятов вформирующиеся клубни.

18 .


Стимуляция роста растений под действием селенита отмеченана фоне снижения АБК, повышения количества ИУК и соотношенияИУК/АБК Такая гормональная ситуация способствует интенсифика-ции ростовых процессов (Полевой, Саламатова, 1991; Пузина и др,2000) Зависимость действия селена на рост через изменение эндоген-ного уровня ауксина, подтвердилась в опытах с экзогенной ИУК Присовместном применении с селенитом они несколько усилили положи-тельное действие на рост растений

С целью проверки протекторного действия селена на темпыроста в условиях адаптации к гипотермии, исследовали ростовую ак-тивность побегов возобновления и их корней через 14 суток послевоздействия стрессора (-2°С) Сопоставление ростовой активностипоказало, что селен более чем на 20% уменьшил отрицательное дейст-вие i ипотермии на ростовые показатели (табл. 5). Это происходило на

Таблица 5. Влияние последействия гипотермии на ростовую актив-ность побегов возобновления и их придаточных корней, выращенныхв лабораторных условиях

Вариант

Контрочь

Na2SeO3

ИУК

Na2SeO3+ИУК

Ростовая активность, %сырой массыпобегов

*

5 16±0 286 99

±0 4010 82±0 72

10 40±0 69

* •

3 42*0.235 22

±0 348 91

±0 57

8 35±0 50

объема корне-вой системы

*

4 0±0.235 28

±0 345 72

±0 368 14

±0 50

**

2 34±0 163 48

±0 233 72

±0 235.48

±0 37

длины корневойсистемы

*

5 27±0.326 56

±0 337.24

±0 51

7.54±0 46

* *

4.10±0 285.99

±0 316 80

±0.41

7.10±0 50

* оптимальные температурные условия** через 14 суток после стресса (-2°С в течение двух часов)

фоне благоприятного для роста гормонального статуса более раннегопо сравнению с контролем увеличения количества ИУК и повышениясоотношения ИУК/АБК при адаптации растений (рис.1) В этой связи,имеют значение данные по влиянию экзогенной ИУК на темпы ростапобегов, подвергшихся стрессу Как и в случае с селеном, ИУКуменьшила негативное действие отрицательной температуры на ростЭти данные подтверждают роль ауксина и его соотношения с АБК вадаптационном процессе растения

19


Продуктивность растений картофеля. Благоприятное влия-ние селена на массу клубней сохранилось до конца вегетации расте-ний. Обработка селенитом натрия увеличила продуктивность карто-феля (табл. 6). При замачивании посадочных клубней (почвеннаякультура) в 5.8-10'3 мМ растворе селенита, содержащем 2.6-10"3 мМселена, масса клубней в кусте возросла на 37%. Меньший эффект от-мечен при опрыскивании растений через 15 дней после появлениявсходов (полевой опыт). Прибавка массы клубней составила 23%(264.76ц/га против 214.24ц/га в контроле). Это произошло за счет уве-личения доли крупных клубней в кусте при неизменном их общем ко-личестве. По-видимому, селен повлиял не на инициацию клубнеобра-зования, а на собственно рост клубня. Возможно, имело значение су-щественное повышение уровня ИУК в растении картофеля, обогащен-ном селеном (рис.3). Первостепенная роль ауксина в процессе роста

Таблица 6. Влияние селенита натрия и ИУК на продуктивность рас-тений картофеля

Вариант Массаклубней, гна расте-ние

Количествов кусте

крупные

клубней

мелкие

Долякрупныхклубней вкусте,%

Почвенная культура*КонтрольNa2SeO3

ИУКNa2SeO3+HyK

328±20448±27465±28492±30

6.1±0.48.5±0.59.0±0.68.8±0.6

3.6±0.31.9±0.11.5±0.11.8±0.1

62.8±4.181.7±5.785.7±5.983.0±5.4

Полевой опыт * *КонтрольNa2SeO3

ИУКЫагБеОз+ИУК

535.6±33.2661.9±39.7693.2±48.5715.6±51.5

6.0±0.49.4±0.610.0±0.79.7±0.7

4.3±0.32.3±0.22.1±0.22.2±0.1

58.3±4.180.3±5.882.6±5.981.5±5.5

* обработка посадочных клубней** опрыскивание растений

клубня после инициации клубнеобразования показана в опытах in vivo(Пузина и др., 2000) и in vitro (Аксенова и др., 2000). В опытах с экзо-генной ИУК также показано, что повышение продуктивности карто-феля произошло за счет увеличения доли крупных клубней в кусте.Эффект синергизма при совместном применении селенита натрия иИУК на физиолого-биохимические процессы сохранился и в действиина продуктивность. Под влиянием обогащения картофеля селеном иИУК изменилось и качество клубней. Содержание крахмала в клубнях

20 *


под воздействием селена возросло на 17.8% (83 4% против 65 6% посухой массе на контроле), а ИУК - на 19 9% (85.5% против 65 6% посухой массе в контроле)

Таблица 7. Влияние селенита натрия на продуктивность растенийкартофеля в условиях последействия гипотермии (почвенная культу-ра)

Вариант

Контроль

Na2SeO3

Условияопыта

без стрессапоследей-ствиестрессабез стрессапоследей-ствиестресса

Массаклуб-ней, гна рас-тение318±25243±17

420±33410±32

Количество клуб-ней в кустекрупные

5 7±0 43.9±0 3

8 1±0 67 8±0 6

мелкие

3 6±0 36.9±0 5

2 2±0.12 0±0 1

Долякрупныхклубнейв кусте,%

60 0±4 536 1±2 8

78 6±5 379 6±6 3

Оказав благоприятное действие на гормональную и антиокси-дантную систему, ход физиологических процессов в условиях адапта-ции к i ипотермии (-2°С), селен снимал отрицательный эффект стрес-сора на продуктивность картофеля (табл 7)

Обобщая полученные резучыпаты, можно заключить, что ответфитогормональной и антиоксидантной систем растения на обработкуселенитом в оптимальных температурных условиях и при адаптации кгипотермии (-2°С) представляет собой комплекс взаимосвязанных ре-акций Селен, специфически изменяя гормональную ситуацию в орга-нах картофеля, поддерживает перекисный гомеостаз через интенси-фикацию активности ферментов антиоксидантной защиты, что приво-дит к снижению липопероксидации мембран в клетках Одновремен-но, смещение гормонального баланса под влиянием селенита в сторо-ну увеличения содержания ИУК, ГАз и их соотношения с АБК, а так-же сохранение целостности мембран активизирует окислительно-восстановительные процессы в растениях1 фотосинтетическую дея-тельность и процесс дыхания Установленные взаимосвязи подтвер-ждены в опытах с раздельным и совместным применением селенитанатрия и ИУК В условиях температурного стресса (-2°С) селенит на-

21


трия заметно снизил падение уровня ИУК и зеатина, одновременноповысил количество АБК, что способствовало активизации антиокси-дантной системы, по-видимому, за счет экспрессии генов, ответствен-ных за синтез ферментов - антиоксидантов. При продолжающемся на-коплении АБК, количество ИУК достигло уровня бесстрессовых ус-ловий уже в первые четыре часа адаптации растений, а в контролепозднее. На этом фоне раньше произошло торможение процесса ли-попероксидации мембран. Селен как модификатор гормонального ста-туса органов картофеля и процесса ПОЛ в конечном итоге увеличилростовую активность растений и их продуктивность. Положительныйэффект селена был значительнее в условиях действия гипотермии (-2°С).

ВЫВОДЫ1. При адаптации к гипотермии (-2°С) протекторные свойства селена

проявились в специфическом изменении гормонального статуса, пере-кисного гомеостаза, хода физиологических процессов растений кар-тофеля.

2. В оптимальных температурных условиях под воздействием селенитанатрия показано существенное увеличение ИУК, ГАз, снижение зеа-тина и АБК возрастание соотношения ИУК/АБК ГАз/АБК в расте-нии картофеля. При действии гипотермии (-2°С) перестройка в гормо-нальном балансе под влиянием селена состояла в возрастании количе-ства АБК и сдерживании снижения уровня ИУК и зеатина. В первые24 часа последействия стрессора селен способствовал более раннемувосстановлению содержания ИУК до первоначального значения инаиболее интенсивному накоплению абсцизовой кислоты.

3. Повышению уровня ИУК и ГА3 под воздействием селенита натриясоответствовало увеличение активности каталазы и пероксидазы, со-провождающееся снижением содержания конечного продукта пере-кисного окисления липидов мембран — малонового диальдегида. В ус-ловиях действия стрессора (-2°С) активизация ферментов антиокси-дантной защиты под влиянием селена и торможение ПОЛ происходи-ло на фоне возрастания АБК. В первые четыре часа адаптации подав-ление процессов липопероксидации происходило при наиболее интен-сивном накоплении АБК и восстановлении уровня ИУК до значениябесстрессовых условий.

4. Физиологический ответ картофеля на действие селена опосредованспецифическим изменением гормонального статуса и работой антиок-сидантной системы. На фоне более высокого содержания ИУК, ГА3 иих соотношения с АБК, снижения процессов ПОЛ, растения характе-ризовались более интенсивным дыханием, большей скоростью фото-

22-


химических реакций в хлоропластах, увеличением чистой продуктив-ности фотосинтеза, активизацией темпов роста и повышением про-дуктивности Продуктивность возросла за счет доли крупных клубнейпри неизменном их общем количестве Протекторные свойства селенана ростовую активность и продуктивность картофеля проявились вбольшей степени при адаптации к гипотермическому воздействиюОпыты с обработкой ИУК позволили установить, что влияниемикроэлемента селена на физиологические процессы, по крайней ме-ре, частично опосредовано изменением содержания и соотношенияфитогормонов, то есть гормонального статуса растений При совмест-ном применении селена и ИУК выявлен характер их взаимодействия'отмечен синергизм в действии на гормональный баланс, активностьантиоксидантной системы, ход физиологических процессов и продук-тивность.

Выявлены пути изменения гормонального баланса и активностиантиоксидантной системы с помощью экзогенной обработки растенийрастворами селенита натрия (5 8 103мМ), ИУК (5.7 10 5М) и их соче-танием Установленные закономерности гормональной регуляции ра-боты антиоксидантной системы, физиологических процессов на целомрастении в оптимальных температурных условиях и при адаптации кгипотермии (-2°С) создают основу для использования микроэлементаселена и регуляторов роста в практике картофелеводства и селекцион-ной работе

СПИСОК РАБОТ, ОБУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕР-ТАЦИИПрудников П С Влияние бора на содержание фитогормонов в росткахкартофеая в условиях низкой температуры // Тезисы докладов V съез-да общества физиологов растений России и Международной конфе-ренции. «Физиология растений - основа фитобиотехнологии». Пенза,2003 С 324.Пузина Т И , Прудников П С Влияние селенита натрия и ауксина на

дыхание и рост побегов возобновления клубней картофеля при гипо-термии // Тезисы докладов годичного собрания общества физиологоврастений России и Международной научной конференции «Проблемыфизиологии растений Севера» Петрозаводск, 2004. С. 152.Пузина Т И , Кириллова И Г, Прудников П.С Фотохимическая

активность хлоропластов картофеля, обработанного антиоксидантамиселенитом натрия и амбиолом // Тезисы докладов III съезда биофизи-ков России Т И Воронеж, 2004 С 448-449Пузина Т И , Прудников П С , Якушкина Н И Фотосинтетическаяактивность растений картофеля при обработке селенитом натрия и

23


ауксином // Физиологические аспекты продуктивности растений.Часть 1. Орел: Издательский Дом «Орлик», 2004. С. 168 - 173.

5. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Влияние селена нагормональный баланс и фотосинтетическую деятельность растенийкартофеля // Доклады РАСХН. 2005. №6. С. 7 - 9.

6. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Влияние селенитанатрия на содержание фитогормонов в побегах возобновления клуб-ней картофеля в условиях гипотермии // Международная конференция«Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранениябиоразнообразия» Вологда: ВГПУ, 2005. С. 146 - 147.

7. Прудников П.С., Пузина Т.И. Использование вариационно-статистического метода в анализе фитогормонов в растении картофе-ля // Международная научно-практическая конференция «Количест-венные методы и информационный потенциал энтомологии и апидо-логии». Орел: ОГУ, 2005. С. 127- 129.

8. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Влияние селенитанатрия и ауксина на работу антиоксидантной системы и ростовыепроцессы растений картофеля // Регуляция продукционного процессасельскохозяйственных растений. Часть I. Орел, 2006. С. 32 — 38.

9. Пузина Т.И., Прудников П.С., Якушкина Н.И. Селен как модификаторгормонального статуса растений картофеля в условиях гипотермии //Вторые чтения, посвященные памяти Ефремова Степана Ивановича.Орел: Картуш. 2006. С. 1 2 - 16.

10. Прудников П.С. Влияние селена на работу антиоксидантной системыв побегах возобновления клубней картофеля в условиях гипотермии //Материалы I (IX) Международной конференции молодых ботаников вСанкт-Петербурге. СПб ГЭТУ «ЛЭТИ». 2006. С. 188.

24'


1,5 печ л Зак 168 Тир 100 экз

Центр оперативной полифафииФГОУ ВПО РГАУ -МСХА имени К А Тимирязева

127550, Москва, ул Тимирязевская, 44



Documents

790.влияние селена на физиолого биохимические процессы при адаптации растений картофеля к гипотермии