Сортові особливості індукції адаптивних реакцій озимої пшениці різних екотипів за умов посухи

Размещено на http://allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

03.00.12 - фізіологія рослин

СОРТОВІ ОСОБЛИВОСТІ ІНДУКЦІЇ АДАПТИВНИХ РЕАКЦІЙ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ РІЗНИХ ЕКОТИПІВ ЗА УМОВ ПОСУХИ

Виконала: Серга Олеся Іванівна

Київ - 2002

Анотація

Серга О.І. Сортові особливості індукції адаптивних реакцій озимої пшениці різних екотипів за умов посухи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 - фізіологія рослин. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2002.

Дисертація присвячена системному дослідженню адаптивних реакцій сортів озимої пшениці різних екотипів, індукованих посухою, високими температурами і полімерними регуляторами росту (полістимуліном К і полістимуліном А-6) з пролонгованою цитокініновою та ауксиновою дією.

З'ясовано, що формування адаптивних реакцій сортів озимої пшениці на посуху і високі температури детерміновано перебудовами водного, ліпідного, аденозинфосфатного та фітогормонального пулів. Виявлено дві розмежовані у часі фази адаптивної реакції надходження тритієвої води в листки озимої пшениці за умов високотемпературного стресу різної напруженості. Отримані результати свідчать, що сорти озимої пшениці степового екотипу відрізняються інтенсивнішим синтезом АТФ і утилізацією енергії в процесах адаптації рослин до посухи, ніж лісостепового. Показано, що енергетичне забезпечення адаптивних процесів пшениці до водного дефіциту визначається вмістом і балансом АТФ,АДФ,АМФ та енергетичним зарядом. Встановлено взаємозв'язок між рівнем енергозабезпечення, водообміном, вмістом фітогормонів, рідкокристалічною структурою сумарних полярних ліпідів мембран хлоропластів сортів озимої пшениці та їх посухостійкістю.

Доведено, що для посухостійких сортів пшениці в післястресовий період характерно збільшення концентрації АБК, зеатину і зеатинрибозиду, збільшення або зменшення вмісту ІОК. Для слабостійких до посухи сортів пшениці відмічено зниження вмісту зеатину + зеатинрибозиду та ІОК за постійного або незначного збільшення концентрації АБК. Зроблено висновок, що обробка рослин в фазу колосіння водними розчинами полістимуліну К і полістимуліну А-6 індукує розширення спектру якісно нових адаптивних реакцій, які спрямовані на зменшення втрат врожаю та збереження якості зерна озимої пшениці в посушливих умовах. На підставі проведених досліджень розроблено спосіб оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці за величиною енергетичного заряду аденілатної системи, який рекомендовано для застосування в селекційній роботі.

Ключові слова: посуха, високотемпературний стрес, водообмін, спектральні коефіцієнти відбиття, полярні ліпіди, мембрани хлоропластів, фітогормони, аденозинфосфати, полімерні регулятори росту, адаптивні реакції, озима пшениця.

озима пшениця посуха фітогормон

1. Загальна характеристика роботи

Основною зерновою культурою в Україні є озима пшениця, площі посіву якої сягають понад 7 млн. га. Потенціал сортового складу і природні ресурси в сприятливих умовах здатні забезпечити урожай зернових злаків вище 100 ц/га, а використовують його у виробничих умовах лише на 25-40% (Лобас, 1996).

Одним з головних лімітуючих чинників формування врожаю зерна озимої пшениці є дефіцит вологи. Посухи різного характеру і тривалості бувають щорічно у всіх регіонах, але частіше на півдні й північному сході, розповсюджуючись на лісостепову та поліську зону. Оскільки майже 15 млн.га орних земель в Україні розташовано в зонах недостатнього та нестійкого зволоження, посухостійкість часто є визначальною у забезпеченні високих урожаїв зернових культур (Моргун, Григорюк, 1997; Григорюк, Мусієнко, 2001). Виходячи з цього, дослідження фізіологічних і молекулярних механізмів формування та регуляції посухостійкості рослин з високою екологічною пластичністю є однією із актуальних проблем сучасної фітофізіології.

Аналіз літератури показує, що стресова дія посухи індукує порушення функціонування ключових ланок метаболізму, які обумовлюють формування продуктивності рослин (Шматько, 1974; Проценко, Кириченко, Мусієнко та ін., 1975; Мусієнко, 1985; Мусієнко, Капля, Оканенко та ін., 1985; Жолкевич, Гусев, Капля та ін., 1989; Шматько, Григорюк, Шведова, 1989; Таран, 2001; Григорюк, Жук, 2002).

Поряд з цим в літературі недостатньо висвітлено вклад складових адаптивного потенціалу, зокрема водного, аденозинфосфатного, ліпідного і фітогормонального пулів в індукції адаптивних реакцій сортів озимої пшениці різних екотипів за умов оптимального та недостатнього водозабезпечення. Актуальність проведення таких досліджень обумовлена, перш за все, необхідністю визначення ступеня адаптації і стійкості різних генотипів озимої пшениці до факторів посухи. З іншого боку, важливо встановити граничні межі адаптації і районування сортів пшениці в ґрунтово-кліматичних зонах України. Вивчення формування комплексу адаптивних реакцій набуває також актуальності у зв'язку з глобальним підвищенням температури, скороченням кількості опадів, зменшенням вологості ґрунту, аридизацією клімату, розширенням площ посушливих регіонів, підвищенням в повітрі концентрації вуглекислого газу (Мусієнко, Таран, 1997; Гродзінський, 1998; Ситник, 1998).

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи було дослідження сортових особливостей індукції адаптивних реакцій озимої пшениці різних екотипів та виявлення захисної дії полімерних регуляторів росту за умов посухи.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:

1. Виявити зміни параметрів водного режиму, спектральних коефіцієнтів відбиття і вмісту хлорофілів в листках сортів озимої пшениці, а також їх залежність від фази розвитку рослин та напруженості посухи.

2. Вивчити кінетику надходження тритієвої води в листки сортів озимої пшениці в умовах водного та високотемпературного стресів.

3. Дослідити ступінь формування рідкокристалічної структури, вміст основних груп полярних ліпідів та їх ненасичених жирних кислот в мембранах хлоропластів озимої пшениці за дії посухи та полімерних форм регуляторів росту.

4. Визначити зміни вмісту, активність і баланс фітогормонів в листках сортів озимої пшениці різних екотипів, індукованих посухою.

5. На підставі аналізу вмісту і балансу вільних аденозинфосфатів в листках рослин розробити спосіб оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці за величиною енергетичного заряду аденілатної системи.

6. Встановити захисну дію полімерних регуляторів росту в адаптивних реакціях водо- і енергообміну на врожай та якість зерна озимої пшениці в умовах посухи.

Об'єкт дослідження - адаптивні реакції озимої пшениці (Triticum aestivum L.) різних екотипів за умов посухи.

Предмет дослідження - роль фітогормональної і аденозинфосфатної систем, структурно-функціонального стану полярних ліпідів в мембранах хлоропластів, полімерних регуляторів росту з пролонгованою цитокініновою та ауксиновою дією в індукції адаптивних реакцій сортів озимої пшениці за різного водозабезпечення.

Методи дослідження - системний підхід у дослідженні формування неспецифічних адаптивних реакцій озимої пшениці за дії водного і високотемпературного стресів методами ізотопної мітки (тритій), спектрофотометрії, поляризаційної мікроскопії, перцептрона теорії розпізнавання образів, тонкошарової хроматографії, денситометрії.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено, що надходження тритієвої води у листки озимої пшениці різних екотипів за умов високотемпературного стресу на ранніх фазах їх росту і розвитку має двофазний характер: 1-фаза гомеостатичної стабілізації водного балансу рослин, яка триває одну-три доби; II-фаза відновлення фізіолого-біохімічного стану клітинних структур, яка триває п'ять-сім діб. Виявлена амплітуда коливань швидкості надходження води і час кожної фази адаптивної реакції, яка залежить від напруженості стресу та сортових особливостей озимої пшениці.

Вперше запропоновано метод прямого визначення вільних аденілових нуклеотидів (аденозин-5-моно-(АМФ), ди-(АДФ), і трифосфатів (АТФ) у рослинах з використанням спектроденситометричної тонкошарової хроматографії, який дозволяє проводити їх очистку та розділення безпосередньо в шарі сорбенту. Показано, що посухостійкі сорти озимої пшениці степового екотипу відзначаються вищим вмістом АТФ, АДФ, величиною енергетичного заряду (ЕЗ) (сумарне відношення вмісту АТФ і Ѕ АДФ до сумарного вмісту АТФ, АДФ та АМФ) й меншим витрачанням енергії на процеси адаптації та стійкості різних екотипів озимої пшениці до факторів посухи. Визначено, що зміни компонентів аденозинфосфатного, фітогормонального і ліпідного пулів індукують адаптивні реакції в умовах посухи шляхом підтримання оптимального водного режиму та активності мембранних структур хлоропластів озимої пшениці.

З позицій системного підходу з'ясовано, що стресова дія посухи індукує збільшення спектральних коефіцієнтів відбиття (СКВ), кількості абсцизової кислоти (АБК), зеатину і зеатинрибозиду, а також неоднозначні зміни вмісту індоліл-3-оцтової кислоти (ІОК) в листках посухостійких сортів озимої пшениці. Зафіксовано зниження рівня зеатину, зеатинрибозиду і ІОК за постійного або незначного збільшення вмісту АБК в листках слабостійких до посухи сортів озимої пшениці.

Вперше розроблено процедуру математичної обробки і застосовано метод перцептрона теорії розпізнавання образів для оцінки фітогормонального балансу рослин за оптимального та недостатнього водозабезпечення. Знайдено дві лінії площини, які розділяють виборку вмісту фітогормонів в листках стійких і слабостійких до посухи сортів озимої пшениці різних екотипів. Вперше кількісно оцінено величини пулів функціонуючих фітогормонів і активність кожного із них в процесі адаптації сортів озимої пшениці до посухи.

Доведено, що полістимулін К і полістимулін А-6 з пролонгованою цитокініновою й ауксиновою дією сприяють суттєвому відновленню рідкокристалічної структури, підвищенню вмісту галактоліпідів (ГЛ) та фосфоліпідів (ФЛ) в мембранах хлоропластів сортів озимої пшениці за умов обмеженого водозабезпечення. Встановлено, що комбіноване застосування полімерних регуляторів росту призводить до активації адаптивних реакцій, зменшення втрат врожаю та покращення якості зерна озимої пшениці в посушливих умовах.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи розширюють уявлення про функціонування механізмів стійкості і адаптації сортів озимої пшениці різних екотипів до посухи. Вони мають прикладне значення для інтенсифікації селекційного процесу, максимальної реалізації адаптивного потенціалу сортів пшениці степового і лісостепового екотипів з великою екологічною пластичністю та стійкістю до факторів посухи. Вперше розроблено спосіб оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці за величиною ЕЗ аденозинфосфатної системи (Григорюк, Ткачов, Серга, Михальський, 2002), який рекомендовано для застосування в селекції (Копія деклараційного патенту України на винахід №45580 А від 15.04.2002 р. додається).

Для індукції адаптивних реакцій, зменшення втрат врожаю і покращення якості зерна озимої пшениці запропонована комбінована обробка рослин в фазу колосіння полімерними похідними цитокініну й ауксину (полістимулін К+полі-стимулін А-6) з антистресовими властивостями та пролонгованим фітогормональним типом дії.

Наукові положення і методичні розробки впроваджено в навчальний та науково-дослідний процеси на кафедрах генетики і фізіології рослин Ужгородського національного університету, фізіології та екології рослин Львівського національного університету ім. Івана Франка, фізіології рослин та екології Дніпропетровського національного університету, ботаніки Тернопільського державного педагогічного університету ім. Володимира Гнатюка, біології Вінницького державного педагогічного університету ім. Михайла Коцюбинського (акти додаються). За цикл праць «Біологічно активні речовини як засоби регуляції адаптивних реакцій, інтродукція та використання речовин» дисертанту Постановою Президії НАН України від 15.03.2000 р. присуджено премію для молодих учених (копія додається).

Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто здійснив інформаційний пошук, проаналізував і узагальнив літературні дані, оволодів сучасними методами досліджень, провів лабораторні, вегетаційні та польові досліди, підготував до друку наукові праці. Експериментальні результати отримано самостійно і в співавторстві. Методичні підходи до оцінки енергетичного і фітогормонального балансів розроблено спільно з старшим науковим співробітником Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, кандидатом біологічних наук В.І. Ткачовим.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою наукової теми науково-дослідної лабораторії фізіологічних основ продуктивності рослин кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка №97/090 «Екзогенна індукція адаптивних реакцій для стабілізації продуктивності зернових культур в несприятливих екологічних умовах» (№ державної реєстрації 0197U003136) та проекту Фонду фундаментальних досліджень України «Механізми адаптації фотомембран до дії стресових факторів» (№ державної реєстрації 01197U003445).

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати були представлені на VII Українському біохімічному з'їзді (Київ, 1997), 3-му щорічному симпозіумі «Фізико-хімічні основи фізіології рослин і біотехнології» (Москва, 1997), ХХVIII щорічній нараді Європейського товариства з нових сільськогосподарських методів (Чехія,1998), II з'їзді Українського біофізичного товариства (Харків, 1998), II Конгресі Європейського товариства фізіологів рослин (Болгарія, 1998), Міжнародній конференції «Онтогенез рослин в природному і трансформованому середовищі» (Львів, 1998), Міжнародній конференції «Регулятори росту і розвитку рослин»(Москва, 1999), IV з'їзді товариства фізіологів рослин Росії (Москва, 1999), Міжнародній конференції «Регуляція росту, розвитку і продуктивності рослин» (Мінськ, 1999), науково-теоретичному семінарі молодих вчених та спеціалістів «Вчимося господарювати» (Київ, 1999), VII конференції молодих вчених «Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття» (Київ, 2000), Міжнародному симпозіумі «Внутрішньоклітинні сигнали в рослинних і тваринних системах» (Київ, 2001).

2. Основний зміст

1. Водообмін і спектри відбиття листків сортів озимої пшениці за дії високої температури та посухи. Вивчали вплив високотемпературного і водного стресів на динаміку надходження води в листки озимої пшениці різних екотипів. Зафіксовано, що дія високотемпературного стресу як слабкого, так і більш сильного напруження (40 і 45⁰С, 4 год.) на 1,2,5, і 7 добу спричиняла збільшення ВД в листках сортів озимої пшениці. На першу добу після дії високотемпературного стресу різної напруженості виявлено активне акумулювання пулів тритієвої води в листках озимої пшениці. За умов високотемпературного стресу слабкого напруження (40⁰С, 4 год.) для посухостійкого сорту пшениці Одеська 51 відзначено поступове зменшення надходження води порівняно з контролем, що свідчить про стабілізацію процесів водообміну рослин протягом однієї-трьох діб. Водночас в листках слабостійкого до посухи сорту пшениці Ровенська 14 на другу добу виявлено істотне підвищення ступеня резервування тритієвої води. Після дії високо-температурного стресу високого напруження (45⁰С, 4 год.) інтенсивність надходження тритієвої води в листки сортів озимої пшениці була аналогічною. Встановлено коливальний характер надходження води в листки рослин, що свідчить про наявність двох розмежованих у часі фаз адаптивної реакції сортів озимої пшениці на дію високотемпературного стресу:

1) гомеостатичної стабілізації водного балансу рослин, яка триває одну-три доби;

2) відновлення фізіолого-біохімічного стану клітинних структур, яка триває п'ять-сім діб.

Встановлено зв'язок між коефіцієнтом

L=[СКВ(560)+СКВ(680)]/ [СКВ(750)-СКВ(720)],

Вмістом води, хлорофілу та ВД в листках озимої пшениці за умов посухи. При цьому відзначено незначну зміну коефіцієнту L в областях близьких до оптимального водопостачання, який практично не реагує на відхилення вмісту води в рослинах до рівня 70%, ВД до 17-20% і хлорофілу до 6 мг/г сухої речовини. Регресійні криві і коефіцієнти кореляції свідчать про тісний зв'язок між коефіцієнтом L і фізіологічними параметрами листків озимої пшениці в умовах посухи.

Отримані результати свідчать про те, що величини коефіцієнтів регресії достатньо близькі для сортів озимої пшениці, що дозволяє їх використовувати для діагностики фізіологічного стану інших сортів.

В проведених нами експериментах коефіцієнт L найадекватніше відображає оптичні властивості листків пшениці за умов посухи. Застосування полістимуліну К суттєво зменшувало різницю між СКВ дослідного і контрольного варіантів та прискорювало процеси відновлення оптичних властивостей листків пшениці.

Для пояснення спектральних відхилень важливо було встановити їх взаємозв'язок із змінами фізіологічних параметрів, які індуковані водним стре-сом. Показано, що стресова дія посухи спричиняла наростання ВД і зменшення сумарного вмісту хлорофілу в листках сортів озимої пшениці. Посухостійкий сорт озимої пшениці Одеська 51 відзначався меншими коливаннями фізіологічних параметрів, ніж слабостійкий Ровенська 49. Обробка рослин полістимуліном К сприяла стабілізації величин ВД, вмісту води і хлорофілу у листках рослин пшениці за умов посухи.

2. Зміни рідкокристалічної структури і вмісту полярних ліпідів та їх ненасичених жирних кислот в мембранах хлоропластів озимої пшениці, індуковані полімерними регуляторами росту в умовах посухи. Полярні ліпіди ГЛ, ФЛ і СЛ є основними та найрухливішими структурними елементами мембран хлоропластів в процесі адаптації рослин до стресових факторів довкілля (Ивков, Берестовский, 1982; Hawker, 1982).

Нами показано, що нативні препарати сумарних полярних ліпідів в мембранах хлоропластів різних за посухостійкістю сортів озимої пшениці Одеська 117 і Білоцерківська 47 в умовах оптимального водозабезпечення мають типову упорядковану полігонально-конфокальну рідкокристалічну структуру (проміжну між рідкою і твердою). За впливу посухи виявлено утворення полідисперсної, менш компактнішої і зрідженої рідкокристалічної структури полярних ліпідів в мембранах хлоропластів сортів озимої пшениці Одеська 117 та Білоцерківська 47. Найглибинніші деформації рідкокристалічної структури полярних ліпідів в мембранах хлоропластів характерні для слабостійкого до посухи сорту пшениці Білоцерківська 47, ніж стійкого Одеська 117.

Обробка рослин полістимуліном К і полістимуліном А-6 сприяла відновленню рідкокристалічної структури полярних ліпідів в мембранах хлоропластів сортів озимої пшениці.

Застосування полістимуліну А-6, порівняно з полістимуліном К, індукувало слабкіше відновлення рідкокристалічної структури полярних ліпідів в мембранах хлоропластів слабостійкого до посухи сорту пшениці Білоцерківська 47.

Таким чином, іммобілізовані форми регуляторів росту з цитокініновим і ауксиновим типом дії є ефективними засобами регуляції рідкокристалічної структури полярних ліпідів в мембранах хлоропластів, що ініціює підвищення адаптивних властивостей та стійкості сортів пшениці до посухи.

Показано, що найвищим вмістом ФЛ і ГЛ відзначались мембрани хлоропластів сортів озимої пшениці за умов оптимального водозабазпечення.

Водночас в мембранах хлоропластів стійкого до посухи сорту пшениці Одеська 117 виявлено вищий рівень ФЛ і ГЛ, ніж у слабостійкого сорту Білоцерківська 47. За стресової дії посухи концентрація ФЛ і ГЛ в мембранах хлоропластів суттєво знижувалася, причому різкіше у сорту пшениці Білоцерківська 47.

Обробка рослин водними розчинами полістимуліну К і полістимуліну А-6 індукувала зменшення ступеня розпаду ФЛ і ГЛ в мембранах хлоропластів сортів озимої пшениці. В цілому, слабостійкий сорт пшениці Білоцерківська 47 відзначався меншою концентрацією ФЛ і ГЛ в мембранах хлоропластів за різного водозабезпечення, ніж стійкий Одеська 117. Визначено, що полістимулін К виявляв сильнішу стимулюючу дію на вміст ФЛ, ГЛ і ФХ в мембранах хлоропластів сортів озимої пшениці, ніж полістимулін А-6.

В мембранах хлоропластів нами в значних кількостях виявлено високоне-насичені полярні ліпіди моногалактозигдигліцерид (МГДГ) і дигалактозилдигліцерид (ДГДГ). За оптимального водозабезпечення найбільш високе співвідношення МГДГ/ДГДГ зафіксовано в мембранах хлоропластів посухостійкого сорту озимої пшениці Одеська 117, ніж слабостійкого Білоцерківська 47. За умов посухи суттєво знижувалось відношення МГДГ/ДГДГ в мембранах хлоропластів стійкого до посухи сорту пшениці Одеська 117 порівняно з сортом Білоцерківська 47.

Стресова дія посухи індукувала зменшення в складі ФГ вмісту лінолєвої і пальмітоолеїнової кислот. Обробка рослин полістимуліном К ініціювала нагромадження в полярних ліпідах мембран хлоропластів пальмітоолеїнової, лінолєвої та лінолєнової ненасичених жирних кислот. Збільшення рівня ненасичених жирних кислот в полярних ліпідах за дії полістимуліну К призводило до стабілізації параметрів водного режиму рослин в умовах водного стресу.

Дійшли висновку, що полістимулін К індукує неспецифічні захисні реакції, які спрямовані на блокування деструктивних процесів в ліпідних компонентах мембран хлоропластів, підсилення адаптивних властивостей і підвищення стійкості фотосинтетичного апарату сортів озимої пшениці до факторів посухи.

3. Акумуляці я вмісту і баланс фітогормонів та вільних аденозин-фосфатів в листках сортів озимої пшениці за дії посухи. Встановлено різно-спрямовані зміни вмісту цитокінінів і ауксинів, а також збільшення кількості АБК залежно від фаз росту й розвитку, напруженості стресу, видових і сортових особливостей рослин (Полевой, 1982; Мусатенко, 1988; Савінський, Григорюк, Ткачов, 1992; Савинский, Григорюк, Ткачев и др., 1993; Косаківська, 1997).

Літературні дані свідчать, що реакцію рослинного організму на дію посухи не коректно оцінювати тільки за вмістом одного фітогормону без врахування внеску інших. Подальші дослідження стримуються саме через відсутність інтегральних методів оцінки фітогормонального балансу, які б одночасно враховували внесок кожного фітогормону в сукупну реакцію рослин на стрес. Тому, одним із етапів нашої роботи було вивчення можливостей застосування методу перцептрона теорії розпізнавання образів для оцінки фітогормонального балансу в листках сортів озимої пшениці різних екотипів за дії посухи (Ткачов, Серга, Гродзінський та ін., 1999).

Баланс ендогенних фітогормонів у листках пшениці оцінювали по розділяючих поверхнях, одержаних методом перцептрона теорії розпізнавання образів (Ту, Гонсалес, 1978).

З'ясовано, що стресова дія посухи викликала збільшення вмісту АБК і істотне зменшення вмісту зеатинрибозиду і ІОК у листках слабостійких сортів та відносну постійність кількості зеатину в листках стійких сортів пшениці.

Після дії водного стресу виявлено достовірне зменшення коефіцієнта В_р, використання якого, як показали дослідження інших авторів (Савинский, Григорюк, Ткачев и др., 1993), недостатньо для диференціації між собою різних за посухостійкістю сортів озимої пшениці. На рисунку 3 зображено розташування середніх значень векторів-образів у тривимірному просторі - дослід (ґрунтова посуха); d₁ i d₂ - розділяючи площини перемінних ІОК, АБК, зеатину + зеатинрибозиду. Для покращення сприйняття одержаних даних зеатин та зеатинрибозид об'єднували в одну змінну. За оптимального водозабезпечення нами зафіксовано групування в два кластера векторів-образів для різних за посухостійкістю сортів пшениці. Стійкі сорти пшениці Одеська 51 і Одеська 117 об'єднуються в кластер в інтервалі змін вмісту АБК від 50 до 150 нг/г маси сирої речовини, зеатин + зеатинрибозид від 500 до 800, а ІОК від 150 до 900 нг/г маси сирої речовини. Слабостійкі сорти пшениці Білоцерківська 47 групуються в кластер, який просторово відокремлений від інших сортів і розташований в інтервалі коливань вмісту АБК 50-300 нг/г маси сирої речовини, зеатину + зеатинрибозиду - 1400-3200 та ІОК - 600-3700 нг/г маси сирої речовини.

Для посухостійких сортів виявлено пропорційне збільшення концентрації АБК, зеатину і зеатинрибозиду, збільшення-зменшення вмісту ІОК залежно від біологічних особливостей пшениці. Водночас у листках слабостійких до посухи сортів пшениці відзначено зниження вмісту зеатину + зеатинрибозиду та ІОК за постійного або незначного збільшення концентрації АБК. За дефіциту вологи зміни коливань вмісту АБК обмежені інтервалами 60-320 нг/г сирої маси, зеатину + зеатинрибозиду -1000-1500 та ІОК -350-500 нг/г сирої маси. При цьому вектори-образи вмісту фітогормонів розташовані просторово в одному кластері, який не розділяється за групами сортів пшениці. Для слабопосухостійких сортів пшениці Білоцерківська 18 і Білоцерківська 47 вагові коефіцієнти по АБК становлять 0,76, а по ІОК, зеатину та зеатинрибозиду - 0,38. Отримані дані свідчать про збільшення внеску фітогормонів - стимуляторів в процесах адаптації рослин порівняно з посухостійкими сортами пшениці. У післястресовий період зафіксовано зменшення (<831 нг/г сирої маси) діючого пулу фітогормонів у листках слабостійких сортів пшениці і збільшення ( >245 нг/г сирої маси) - в стійких.

Таким чином, застосування методу перцептрона дало можливість кількісно оцінити величини пулу функціонуючих фітогормонів і активність кожного з них в процесах адаптації рослин до посухи.

4. Аденозинфосфати і енергетичний заряд в листках сортів озимої пшениці за різного водозабезпечення. Функціонування механізмів стійкості до посухи пов'язано з енергетичним обміном та структурно-функціональними властивостями рослин (Жолкевич, 1968; Петров, 1974). Система аденілових нуклеотидів АТФ-АДФ-АМФ відіграє ключову роль в процесах акумулювання, утилізації і відновлення енергії, є функціональною основою формування адаптивного потенціалу рослин (Хочачка, Сомеро, 1988). Однак роль аденозинфосфатного пулу в забезпеченні стійкості сортів озимої пшениці до водного стресу залишається практично не з'ясованою.

Нами показано, що за умов оптимального водозабезпечення в листках сортів озимої пшениці значно вищий сумарний вміст вільних аденозин-фосфатів, особливо АТФ, ніж за недостатнього. Дія посухи індукувала зниження рівня АТФ, АДФ і АМФ як в листках стійких, так і слабостійких до посухи сортів пшениці, яке знаходиться під метаболічним контролем (Hoffmann, Leupold, 1984). Тривалий ВД спричиняв пригнічене генерування енергії у вигляді АТФ, яка використовується на адаптацію рослин до посухи, що підтверджує рівень зростання АДФ та АМФ.

При цьому стійкі до посухи сорти пшениці Одеська 51 і Одеська 117 в оптимальних і стресових умовах відзначались дещо вищим сумарним аденілатним пулом (АТФ, АДФ, АМФ) порівняно з слабостійкими Білоцерківська 18 та Білоцерківська 47. У цілому, слабостійкі до посухи сорти пшениці інтенсивніше витрачали енергію АТФ на адаптивні процеси до водного стресу, ніж стійкі. Водночас посухостійкі сорти пшениці за оптимального водозабезпечення і посухи нагромаджували більшу кількість АТФ, ніж слабостійкі. За цих умов слабостійкі сорти пшениці лісостепового екотипу витрачали на процеси адаптації до посухи більшу кількість енергії, ніж стійкі степового, за раз зменшення рівня АМФ, що є наслідком розпаду АТФ до АДФ і АМФ за дії водного стресу. В листках сортів пшениці за оптимального водозабезпечення ЕЗ аденілатної системи становив 0,52-0,62, а після дії посухи знижувався до 0,38-0,54.

Таким чином, посухостійкі сорти озимої пшениці степового екотипу, порівняно з слабостійкими лісостепового, відзначаються вищим вмістом АТФ, АДФ та коефіцієнтом ЕЗ, а також меншим витрачанням енергії на процеси адаптації до водного стресу. На підставі проведених досліджень нами розроблено спосіб оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці за величиною ЕЗ аденілатної системи.

5. Ефективність впливу полімерних регуляторів росту на врожай та якість зерна озимої пшениці в посушливих умовах. Однією із сучасних тенденцій розвитку досліджень по захисту рослин від посухи є створення і впровадження препаратів, які поєднують в собі властивості стимуляції адаптивних реакцій та активізацію ростових процесів (Соколова, Санин, 1999; Анішін, Жилкін, Пономаренко, 2001).

Для індукції адаптивних реакцій і зменшення втрат врожаю зерна озимої пшениці нами застосовано полімерні регулятори росту, зокрема полістимулін К та полістимулін А-6.

Обробка рослин в фазу колосіння полістимуліном К і полістимуліном А-6 в концентрації 10^-4 м в середньому за три роки індукувала збільшення порівняно до контролю врожаю зерна сортів озимої пшениці Одеська 117 й Білоцерківська 47 на 4,8 і 4,4 ц/га (16,6 % і 10,4%), маси 1000 зерен на 8,4 і 5,8 г, вмісту білка - на 1,2% і 1,0% та сирої клейковини в зерні - на 4,2% і 2,9%.

Найефективнішою виявилась сумісна обробка рослин водними розчинами полістимуліну К і полістимуліну А-6. В результаті отримано збільшення врожаю зерна порівняно з контролем (без обробки) на 9,2 і 6,0 ц/га (25,4% та 18,6%), маси 1000 зерен на 11,4 і 7,8 г, вмісту білка - на 2,7% і 1,7% і сирої клейковини в зерні - на 7,3% та 5,5%.

Причинно-наслідкові зв'язки складових адаптивних реакцій рослин за дії посухи і високих температур, узагальнено нами у вигляді схеми. З позицій системного підходу виявлено тісний взаємозв'язок між рівнем енергозабезпечення, водообміном, вмістом фітогормонів, структурно-функціональними властивостями полярних ліпідів в мембранах хлоропластів озимої пшениці різних екотипів та їх стійкістю до недостатнього водозабезпечення. Отримані нами результати поглиблюють і розширюють уявлення про механізми адаптивних реакцій сортів озимої пшениці різних екотипів за дії посухи.

Висновки

Посухостійкі сорти озимої пшениці Одеська 51, Одеська 162, Одеська 267 і Альбатрос одеський відзначаються інтенсивнішим синтезом аденозин-5-трифосфату, а також меншим витрачанням енергії на процеси адаптації до посухи, ніж слабостійкі Білоцерківська 18, Білоцерківська 47, Поліська 70, Ровенська 49 та Веселка.

Для оцінки стійкості сортів озимої пшениці різних екотипів до посухи вперше запропоновано використовувати енергетичний заряд аденілатної системи. Якщо величина енергетичного заряду листків більша ніж 0,5 сорти пшениці відносять до посухостійких, якщо менше 0,5-до слабостійких.

Стресова дія посухи індукує одночасне збільшення вмісту абсцизової кислоти і неадекватні зміни кількості стимулюючих фітогормонів у листках озимої пшениці. Зафіксовано зменшення вмісту зеатинрибозиду і індоліл-3-оцтової кислоти в листках слабостійких до посухи сортів пшениці та відносну його стабільність у стійких.

Для стійких до посухи сортів озимої пшениці Одеська 51 і Одеська 117 абсцизова кислота в 11 разів активніша у формуванні адаптивних реакцій рослин на водний стрес, ніж індоліл-3-оцтова кислота, зеатин й зеатинрибозид, водночас як для слабостійких сортів Білоцерківська 18 та Білоцерківська 47 - тільки в два рази.

Надходження води в листки озимої пшениці за умов високотемпературного стресу на ранніх фазах її розвитку має дві розмежовані у часі фази:

1- фазу гомеостатичної стабілізації водного балансу рослин, яка триває одну-три доби;

2 - фазу відновлення фізіолого-біохімічного стану клітинних структур, яка триває п'ять-сім діб. Амплітуда коливань швидкості надходження води і час кожної фази адаптивної реакції залежить від напруженості високотемпературного стресу та сортових особливостей рослин озимої пшениці.

Для стійкого до посухи сорту озимої пшениці Одеська 51 складові ланки енергообміну, зокрема параметри водного режиму, спектральні коефіцієнти відбиття і вміст хлорофілів менш чутливіші до умов зневоднення, ніж для слабостійкого Ровенська 49.

Обробка рослин водними розчинами полістимуліну К і полістимуліну А-6 з пролонгованою цитокініновою і ауксиновою дією індукує комплекс неспецифічних адаптивних реакцій, які сприяють підвищенню вмісту основних груп полярних ліпідів та збереженню їх рідкокристалічної структури в мембранах хлоропластів сортів озимої пшениці за умов недостатнього водозабезпечення.

Застосування полімерних регуляторів росту полістимуліну К і полістимуліну А-6 призводить до оптимізації процесів водо й енергообміну, підвищення адаптивної здатності, стійкості рослин до посухи, зниження втрат врожаю та покращення якості зерна озимої пшениці в посушливих умовах.

Для застосування в селекційній роботі рекомендується спосіб оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці різних екотипів (Деклараційний патент України на винахід №45880 від 15.04.2002 р.), який ґрунтується на визначенні величини ЕЗ аденілатної системи.

Для зменшення втрат врожаю і збереження якості зерна озимої пшениці в посушливих умовах пропонується сумісна обробка рослин у фазу колосіння водними розчинами полістимуліну К та полістимуліну А-6 в концентрації 10^-4М за діючою речовиною.

Публікації

1. Ткачев В.И., Савинский С.В., Серга О.И., Григорюк И.А. Разделение и прямое определение свободных аденозинфосфатов в растениях методом тонкослойной хроматографии // Физиология и биохимия культ.растений. - 1999.-31, №2. - С.157-159.

2. Ткачов В.І., Серга О.І., Гродзінський Д.М., Савінський С.В., Мусієнко М.М., Григорюк І.П. Застосування методу перцептрона для оцінки балансу фітогормонів у листках сортів озимої пшениці різних екотипів за умов посухи // Доп. НАН України. - 1999. - №8. - С. 162-166.

3. Серга О.І., Мусієнко М.М., Григорюк І.П., Гродзінський Д.М., Михальський М.Ф., Ткачов В.І., Арсан В.О. Аденозинфосфати і енергетичний заряд в листках сортів озимої пшениці за різного водозабезпечення // Доп. НАН України. - 1999. - №9. - С.169-172.

4. Михальський М.Ф., Григорюк І.П., Ткачов В.І., Серга О.І., Мусієнко М.М., Арсан В.О. Зміни вмісту аденозинфосфатів в листках озимої пшениці, індуковані тривалою посухою // Физиология и биохимия культ. растений. - 2000. - 32, №1. - С.60-63.

5. Гродзінський Д.М., Ткачов В.І., Серга О. І., Мусієнко М.М., Григорюк І.П. Особливості надходження тритієвої води в рослини озимої пшениці за умов високотемпературного стресу // Доп. НАН України. - 2000. - №5. - С.163-165.

6. Ткачов В.І., Григорюк І.П., Серга О.І., Ярошенко О.А., Ніколайчук В.І. Пристрій для автоматичного підтримання запрограмованого рівня відносної вологості повітря при вивченні жаростійкості рослин // Науковий вісник Ужгородського державного університету. Серія: Біологія, 2000. - №8. - С.179-180.

7. Ткачов В.І., Серга О.І. Спектральна діагностика фізіологічного стану рослин за дії посухи // Актуальні проблеми фізіології водного режиму та посухостійкості рослин: Зб. наук. праць, присвяч. пам'яті д-ра біол. наук, проф. Шматька Івана Григоровича (НАН України, Ін-т фізіології рослин і генетики). - К.: ТОВ «Міжнар. фін. агенція», 1997. - С.70-73.

8. Ткачов В.І., Мусієнко М.М., Серга О.І. Зміни оптичних властивостей листків пшениці різних екотипів, індуковані полімерною формою 6-бензиламі-нопурину в умовах посухи // Зб. наук. праць Інституту землеробства УААН. - Київ: Нора-прінт, 1999. - Вип. 1-2. - С.175-179.

9. Декл. пат. 45880 А Україна, МКВ 7 А O1G7/00. Спосіб оцінки посухостій-кості сортів озимої пшениці. - І.П.Григорюк, В.І.Ткачов, О.І.Серга, М.Ф. Михальський. - Опубл.15.05.2002, Бюл.№5.

10. Ткачов В.І., Григорюк І.П., Серга О.І., Савінський С.В. Аденілові нуклеотиди і стійкість фотосинтетичного апарату рослин до водного стресу // УІІ Укр. біохім. з`їзд (Київ, 3-6 вересня 1997). - К.: Вид-во НАУ, 1997. - Ч.2. - С.116-117.

11. Григорюк И.А., Ткачев В.И., Серга О.И., Штильман М.И. Концепция испо-льзования иммобилизованных форм регуляторов роста для защиты растений от засухи // Физико-химические основы физиологии растений и биотехно-логия. 3-й ежегодный симпозиум (Москва, 27-28 июня 1997 г.). - М.: Б.и., 1997. - С.78.

12. Ткачев В.И., Григорюк И.А., Савинский С.В., Серга О.И. Гормональный статус различных по засухоустойчивости генотипов озимой пшеницы // Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология. 3-й ежегодный симпозиум (Москва, 27-28 июня 1997 г.). - М.: Б.и., 1997. - С. 91.

13. Серга О.І. Формування структури полярних ліпідів в мембранах хлороплас-тів озимої пшениці за дії полімерних регуляторів росту // Матеріали Міжнар. конф. «Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищі» (Львів, липень 1-4, 1998 р.). - Львів: Сполом, 1998. - С.232-233.

14. Ткачов В.І., Гродзінський Д.М., Серга О.І., Мусієнко М.М., Григорюк І.П. Застосування методу перцептрона для оцінки енергетичного та фітогормо-нального балансу рослин за дії водного стресу // Тез. доп. ІІ з'їзду Укр. біофіз. т-ва (Харків, 29 червня-3 липня 1998 р.). - Харків: Вид. центр ХДУ, 1998. - С.143.

15. Михальський М.Ф., Ткачов В.І., Серга О.І., Григорюк І.П. Оцінка стійкості сортів озимої пшениці до водного стресу за енергетичними параметрами // Тез. доп. ІІ з'їзду Укр. біофіз. т-ва (Харків, 29 червня-3 липня 1998 р.). - Харків: Вид. центр ХДУ, 1998. - С.222.

16. Serga O. Lipid components of chloroplast membranes in stress conditions under the effect of immobilized benzyl-aminupurine // XXVIII Ann. Meet. Inter. Union of Radioecol. Work Group Soil-to-Plant Transfer. 26-29 Aug. 1998. - Brno, 1998. - P.61.

17. Serga O. Reaction of plants to water and high temperature stresses // The 11-th Congress of the Federation of European Societies of Plant Physiology (7-11 September 1998, Varna, Bulgaria). Acad. M.Popov Inst. of plant Physiology. -Bulg. J. Plant Physiol. -1998. - P.189.

18. Ткачев В.И., Серга О.И., Григорюк И.А., Мусиенко Н.Н., Самохвал Е.Г. Изменение содержания и баланса фитогормонов в листьях озимой пшеницы, индуцированные полистимулином К в условиях водного стресса // Тез. докл. Пятой Междунар. конф. «Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 29 июня-1 июля 1999 г.). - М.: Б.и., 1999. - С.137-138.

19. Григорюк И.А., Ткачев В.И., Михальский Н.Ф., Мусиенко Н.Н., Серга О.И. Аденозинфосфаты растений в условиях водного стресса // IV съезд об-ва физиологов растений России (Москва, 4-9 октября 1999 г.) : Тез. докл. Междунар. конф. «Физиология растений - наука III-го тысячелетия». - М.: Б.и., 1999. - Т.1. - С.346-347.

20. Серга О.І. Регуляція пролонгованими формами цитокініну і ауксину структури полярних ліпідів в мембранах хлоропластів озимої пшениці різних екотипів за умов посухи // Матеріали науково-практичного семінару молодих вчених та спеціалістів «Вчимося господарювати» (Київ-Чабани, 22-23 листопада 1999 р.). - Київ: Нора-прінт, 1999. - С.167-168.

21. Мусиенко Н.Н., Серга О.И. Реакция сортов озимой пшеницы на водный стресс // Материалы Междунар. науч. конф. «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 9-11 ноября 1999 г.). - Минск: Б.и., 1999. - С.150-151.

22. Михальский Н.Ф., Серга О.И. Индуцирование энергетических реакций озимой пшеницы разных экотипов в условиях засухи // Тез. доп. VII конф. молодих вчених «Проблеми фізіології рослин і нгенетики на рубежі третього тисячоліття» (Київ, 18-20 жовтня, 2000 р.). - К.: Україна-СВІТ, 2000. - С.59.

23. Nyzhnyk T.P., Grygoryuk I.P., Serga O.I. Phytogormonal complex of winter wheat and potato cultivars under water stress conditions // Abstract Internat. Symp. «Interacellulare Signalling in Plant and Animal Systems (ISPAS)» (Kyiv, Ukraine, 9-14 September, 2001)/ - Kyiv; Logos, 2001. - P.85.

Размещено на Allbest.ru