Анатомо-морфологические и физиологические адаптации растений к осмотическому стрессу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курский государственный университет

Курская государственная сельскохозяйственная академия

Анатомо-морфологические и физиологические адаптации растений к осмотическому стрессу

Белова Т.А.

Нагорная О.В.

Аннотация

адаптация растение осмотический стресс

В статье отражены особенности анатомо-морфологических и физиологических адаптаций растений Triticum aestivum L. к осмотическому стрессу и явления, характеризующие изменение структур в сторону ксероморфности. Показано, что соотношение солей в почвенном субстрате является для растений определенным формообразующим фактором, и вызванные экспериментально резкие физиологические изменения под действием хлористых солей не являются необратимыми, возможна их коррекция использованием антистрессовых адаптогенов.

Ключевые слова: пшеница мягкая, осмотический стресс, морфофизиологические реакции, ксероморфность, салициловая кислота

Для оптимального роста и развития растений необходима сбалансированность элементов минерального питания. Однако содержание химических элементов в почве непостоянно и может изменяться под влиянием внешнесредовых факторов. Минеральные соли могут оказываться в почвенном субстрате в дефиците или, наоборот, накапливаться до токсического уровня. Избыточное содержание солей, наряду с засухой и экстремальными температурами, является одним из важных абиотических факторов внешней среды, которые негативно сказываются на росте растений и приводят к снижению биоразнообразия. Повышенный осмотический потенциал почвенного раствора является одним из лимитирующих факторов, который распространен на очень больших территориях в нашей стране и в мире. На все культивируемые виды данный фактор оказывает отрицательное влияние, и степень его тем больше, чем выше уровень засоления. Скопление даже безвредных солей в корнеобитаемом слое почвы повышает осмотическое давление почвенного раствора, что затрудняет водоснабжение растений [1, 2]. При этом некоторые соли могут действовать на растения как специфические яды, что проявляется в ухудшении многих свойств и функций растений, изменении морфологического облика и модификации анатомических структур.

В условиях солевого стресса нарушается водный статус и ионный гомеостаз, замедляется рост растений и снижается продуктивность сельскохозяйственных культур. В связи с этим изучение степени изменения анатомо-морфологических структур и обратимости этих изменений в случае использования приемов, повышающих солеустойчивость растений, имеет большое практическое значение для получения устойчивого урожая на почвах с избыточным содержание тех или иных солей.

Тип засоления зависит от содержания в почве анионов и определяется составом солей. В зависимости от типа засоления почвенного субстрата модифицируется структура органов растения, и появляются изменения, обеспечивающие выживание в дефиците водообеспечения [3]. У растений наблюдается сокращение листовой поверхности, снижение осевого роста, изменение числа и размеров устьиц. Накопление ионов происходит в различных органах растения: натрий и сульфат-ион - во всех органах, за исключением конуса нарастания стебля, ионы хлора - в стеблях и листьях.

Самое токсичное для растений - это хлоридное засоление, натрий в таких почвах является преобладающим катионом. Степень повреждающего действия засоления и причины снижения продуктивности растений, а также возможные пути повышения адаптаций растений к росту и развития в данных условиях могут быть раскрыты благодаря изучению физиологических механизмов солеустойчивости и анатомо-морфологических изменений, происходящих в растительном организме под воздействием солевого стресса.

Изменение морфометрических показателей растений в некотором роде может служить диагностическим признаком, указывающим на повышение осмотического потенциала почвенного раствора. Поэтому важно рассмотреть, какими приспособительными механизмами обладают растения для выживания в неблагоприятных условиях минерального питания, и какие проявления имеют данные адаптации в морфоструктуре побега.

Среди возделываемых сельскохозяйственных растений нет галофитов, и большинство важнейших культур чувствительны к действию засоления [4]. Наименьшей относительной устойчивостью к неблагоприятному воздействию токсичных солей обладают растения пшеницы, что делает их удобным модельным растением для изучения приспособительных механизмов, обеспечивающих рост и развитие.

Изменению анатомии и морфологии растений предшествуют сдвиги в физиологических и биохимических процессах. Натрий-хлоридное засоление способствует созданию в почве резко отрицательного водного потенциала, что затрудняет поступление воды в растение. Высокая концентрация солей приводит к повреждению мембранных структур, в первую очередь, плазмалеммы, вследствие чего ее проницаемость резко возрастает, и теряется способность к избирательному накоплению веществ. В этом случае поступление солей в клетки происходит пассивно вместе с транспирационным током воды [5]. Большая концентрация натрия на засоленных почвах создает препятствия для накопления других катионов, в том числе калия и кальция, таких необходимых для жизни растения. Данные изменения провоцируют нарушения процессов обмена: под влиянием солей в растениях накапливаются аммиак и другие ядовитые продукты, нарушается азотный обмен [6]. Повышенная концентрация хлористых солей действует как разобщитель процессов окисления и фосфорилирования и нарушает снабжение растений макроэргическими фосфорными соединениями. Эти изменения начинаются от прорастания семян и заканчиваются на поздних этапах развития растений.

Негативное действие высоких концентраций солей раньше всего сказывается на корневой системе растений. В первую очередь, в корнях страдают клетки, непосредственно соприкасающиеся с раствором соли. В надземной части побега действию солей наиболее подвержены клетки проводящей системы, по которым происходит передвижение солевого раствора к листьям, верхушке стебля и генеративным органам.

Суммарным отражением всех указанных выше первичных физиологических нарушений и вторичных отклонений являются интегрирующие изменения, происходящие в анатомической структуре растений, а, следовательно, и изменение их морфологического облика.

Для изучения возможности обратимости данных процессов и структурных изменений на модельном растительном объекте использовались приемы повышения солеустойчивости с использованием соединений, повышающих сопротивляемость растений в экстремальных ситуациях за счет мобилизации естественных защитных механизмов. Примерами таких соединений служат антитранспиранты, пролин, салициловая кислота [7, 8], которые оказывают влияние на процессы модификации и осморегуляции транспортных процессов [9, 10].

В основе устойчивости растений к избытку минеральных солей лежат физиологические механизмы, запускающие такие реакции обмена веществ, которые способны нейтрализовать неблагоприятное действие солей. Это связано с окислительным разрушением токсичных соединений и их производных, а также накоплением веществ, оказывающих защитное влияние и регулирующих осмотические свойства клеток. Иной тип приспособлений связан с изменением функций мембран, регулирующих транспорт ионов в клетку из окружающей среды [9]. Осмотический актив создается в них за счет продуктов ассимиляции.

Целью данной работы является обнаружение и изучение анатомо-морфологических и физиологических реакций растений на воздействие повреждающих факторов солевого стресса и формирования ответных морфофизиологических реакций растительных организмов, составляющих основу устойчивости к условиям повышенного осмотического состояния почвенной среды в условиях предпосевной обработки салициловой кислотой модельных растений Triticum aestivum L.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили на растениях Triticum aestivum L. в лабораторных условиях. Перед посевом семена стерилизовались слабым раствором марганцевокислого калия с дальнейшим промыванием дистиллированной водой. Посев проводили в вегетационные сосуды, заполненные универсальным почвенным субстратом.

Растения опытных вариантов выращивались на фоне 1%-ого раствора NaCl. С целью повышения солеустойчивости проводили предпосевную обработку семян салициловой кислотой: семена замачивали в растворе салициловой кислоты в течение трёх часов. Анализ литературных источников показал [7, 9], что в наибольшей степени защитный эффект салициловой кислоты выражен в концентрации 5·10^-5 моль/л, что явилось обоснованием для применения данной концентрация в представляемом опыте.

Основной задачей являлся анализ анатомо-морфологических и физиологических показателей растений, произрастающих в условиях засоления и на фоне фактора солевой закалки салициловой кислотой. Все измерения и учеты проводили с первых этапов прорастания семян. В ходе исследования определялись показатели роста растений (площадь листьев, высота растений, масса сухая и сырая), исследовалась анатомическая структура клеток мезофилла листа с целью оценки их осмотических свойств, особенности строения устьичного аппарата и связанная с ним интенсивность транспирации, фотосинтетическая деятельность листьев, отражающаяся в количественном и качественном содержании пигментов. Устьичный аппарат анализировали с использованием метода фиксации эпидермы в абсолютном спирте и метода отпечатков, размер устьиц определяли с помощью окуляр-микрометра. Содержание пигментов определяли на спектрофотометре в четырех аналитических повторностях: пигменты экстрагировали 96% этанолом. Интенсивность транспирации изучали весовым методом с помощью торсионных весов.

Результаты и их обсуждение

Действие минеральных солей на растение начинается с момента их проникновения в набухающие семена. В условиях хлоридного засоления количество поступающего в семена хлора в начальные этапы незначительно и не превышает тех объемов, которые могут поступать путем пассивной диффузии [11]. С появлением проростов и возрастанием интенсивности обмена веществ скорость поступления хлора в семена резко увеличивается. Результатом данного воздействия явилось снижение показателей всхожести семян на 27,3%

Тормозящее влияние натрия и хлора было нивелировано на первых же этапах развития действием салициловой кислоты. Салициловая кислота (2-гидроксибензойная) - это эндогенное соединение фенольной природы, встречается в природе в эфирном масле некоторых видов спиреи и в виде производных в коре ивы [12]. Показано действие салициловой кислоты как регулятора роста растений, обеспечивающего развитие неспецифической реакции на стрессогенные факторы и накопление в клетках активных форм кислорода.

В настоящее время получены многочисленные результаты, убедительно свидетельствующие в пользу вовлечения салициловой кислоты в индукцию и развитие приобретенной устойчивости [3, 9]. Она способна индуцировать системную устойчивость растений к разнообразным по природе абиотическим стрессорам и возбудителям болезней. Салициловая кислота -- это стимулятор роста, который выполняет в растении разнообразные физиологические функции: является антагонистом АБК в регуляции движения устьиц, естественным ингибитором поступления ионов в корни и других физиологических процессов [13]. Данная информация позволяет рассматривать салициловую кислоту как перспективное для практического использования соединение с целью защиты растений от широкого спектра стрессовых воздействий.

Изменения показателей роста и развития растений под влиянием салициловой кислоты в условиях засоления среды были выявлены уже на этапе прорастания семян. Обработка семян пшеницы в растворе салициловой кислоты в концентрации 5·10^-5 моль/л приводила к синхронизации процесса прорастания и всхожести (до 82,8%). Защитный эффект салициловой кислоты при этом проявлялся в изменении физиологических процессов у растений и анатомической структуры.

Анатомическое исследование образцов растений, выращенных в условиях повышенного осмотического потенциала почвенного раствора, указывало на увеличение числа клеток со сгустившейся цитоплазмой и снижение количества крупных вакуолизированных клеток. Это свидетельствует развитии процесса плазмолиза, то есть отделение протопласта от клеточной стенки в условиях гипертонического раствора, что, в первую очередь, и тормозило процесс прорастания семян. Применение салициловой кислоты нивелировало отрицательные изменения и приближало физиологическое состояние клеток к уровню контроля, что отразилось на всхожести семян и её повышении на 15,5% (рис. 1).

Причина данных явлений - в возникновении осмотического тока воды из клеток семян в гипертоническом почвенном растворе NaCl. При этом, в основном, выходит слабосвязанная вода, и объем вакуоли уменьшается, давление ее на протопласт падает, тургесцентность клеток снижается. В процессе плазмолиза происходит потеря протопластом воды, уменьшение в размерах и его отхождение от клеточной стенки. Это приводит к разобщению плазмодесм - цитоплазматических нитей, обеспечивающих передачу раздражений и передвижение веществ от клетки к клетке, и, как следствие, нарушению межклеточных связей. Именно поэтому прекращается поступление питательных веществ в клетки, что становится одной из основных причин замедления роста растений.

Рис. 1. Лабораторная всхожесть семян под воздействием солевого стресса и салициловой кислоты

Определение вязкости цитоплазмы плазмолитическим методом показал, что в варианте с салициловой кислотой плазмолиз наступал медленнее, чем в клетках растений на фоне NaCl. Это объясняется наличием большого числа моносахаридов, повышающих вязкость цитоплазмы.

У культурных растений, произрастающих в условиях солевого стресса, заметным изменениям подвержено не только микроскопическое, но и макроскопическое строение вегетативных органов. Применение в эксперименте повышенных концентраций NaCl отрицательно сказалось на длине побегов: этот показатель в процентном отношении снижался на 13,4%. Анализ биометрических показателей свидетельствует о том, что высота растений отличалась с первых дней прорастания семян. Данное явление связано с действием осмотического стресса на зоны деления и роста клеток корня.

Растения пшеницы, прошедшие антистрессовую обработку, оказались более устойчивыми к засолению, что подтверждается возрастанием длины побегов на 11,7% и отсутствием статистически значимых различий с контрольными вариантами (рис. 2).

В условиях солевого стресса происходит целый спектр морфофизиологических изменений фотосинтетического аппарата. Предпосевная обработка салициловой кислотой свидетельствует о том, что данные явления обратимы и нивелируют эти изменения, приближая их к уровню контроля. В ходе проведенных опытов установлено, что предпосевное замачивание семян в растворе салициловой кислоты существенно увеличивает площадь листьев и положительно отражается на количественном и качественном изменении пигментного аппарата.

Рис. 2. Морфометрические показатели растений под воздействием осмотического стресса и салициловой кислоты

Ассимиляционная поверхность листьев является одним из признаков, от которых зависит фотосинтетическая деятельность растений; под влиянием повышенных концентраций солей она проявляет тенденцию к изменению в сторону ксероморфности и, как следствие, снижению интенсивности фотосинтеза. В условиях засоления площадь листьев существенно сокращается (на 17,2%), при этом в 1,2 раза увеличивается количество проводящих пучков. Повышая адаптационные свойства растений, салициловая кислота способствовала изменению данного показателя и приближала его к уровню контроля (площадь листьев увеличивалась на 14,7% по сравнению с растениями, выращенными в условиях солевого стресса). Увеличение сухой массы растений, прошедших адаптацию, более чем на 6,6%, свидетельствует и об увеличении интенсивности фотосинтеза у растений мягкой пшеницы.

Условия засоления отрицательно влияют на количественный состав пигментного аппарата и изменение концентрационных соотношений хлорофиллов и каротиноидов. Содержание каротиноидов и хлорофиллов a и b у растений пшеницы при засолении NaCl было значительно ниже, чем у контрольных образцов (рис. 3). При этом происходит более интенсивный распад хлорофилла а по сравнению с хлорофиллом б, что свидетельствует о большой лабильности хлорофилла а. Причиной снижения уровня хлорофиллов считают увеличение гидролитической активности хлорофиллазы при засолении [14]. Также в условиях засоления нарушается ультратонкая структурная организация хлоропластов. Частичное подавление функционирования фотосинтетического аппарата в условиях засоления неизбежно приводило к ингибированию роста побега.

Рис. 3. Пигментный состав растений пшеницы в условиях засоления и действия салициловой кислоты

Растения пшеницы, прошедшие обработку салициловой кислотой, характеризовались более высоким содержанием пигментов, чем контрольные или обработанные раствором NaCl. В большей степени при этом нивелировались показатели по содержанию хлорофилла a. Более того, при глазомерной оценке в условиях антистрессового адаптогена в клетках мезофилла растений засоленного фона обнаруживалось увеличение количества хлоропластов.

Осмотический стресс накладывает отпечаток и на устьичный аппарат: при этом диаметр устьиц уменьшался, а их число на единицу площади увеличивалось (табл. 1). Этот факт еще раз подтверждает наличие явлений, характеризующих изменение структур листа в сторону ксероморфности. При действии салициловой кислоты включаются адаптационные механизмы, которые обеспечивают ионный гомеостаз, и устьичные щели могут закрываться, что и наблюдалось у контрольных растений. Способность растений быстро закрывать устьица в условиях повышенной концентрации соли в питательном растворе способствует формированию солеустойчивости и может использоваться как физиологический признак, формирующийся в условиях осмотического стресса. Приведенные ниже данные свидетельствуют о том, что на фоне натрий-хлоридного засоления транспирационная система растения направлена на приспособление к затрудненному водному режиму.

Таблица 1. Особенности водного режима растений в условиях засоления и действия салициловой кислоты

Изменения устьичного аппарата напрямую оказывало влияние на интенсивность транспирации. При засолении субстрата подвижность воды и доступность ее для растений значительно снижаются, поэтому растения испытывают своеобразную «физиологическую засуху». Транспирационная активность растений в условиях хлоридного засоления изменилась уже на ранних стадиях развития. Её показатель значительно уменьшался: растения сохраняли интенсивность транспирации на уровне 84% от контроля. При обработке салициловой кислотой этот параметр претерпевал незначительные изменения (интенсивность транспирации снижалась не более чем на 3,4%).

Амплитуда изменений водного режима в условиях одинаковой степени засоления среды более значительна при отсутствии салициловой кислоты. Предполагается, что под влиянием салициловой кислоты при засолении увеличивается процент связанной воды. В этих условиях повышается содержание осмотически активных веществ в клетках, прежде всего, низкомолекулярных органических соединений и ионов солей, а также возрастает количество гидрофильных коллоидов.

Водный обмен растений оказывает непосредственное влияние на осмотические свойства клеток. На почве с повышенным осмотическим давлением питательного раствора во всех органах у растений увеличивается осмотический потенциал клеточного сока. Это также обусловливается увеличением концентрации низкомолекулярных органических соединений и накоплением в клетках повышенных количеств осмотически активных гидрофильных ионов солей, связанными с изменениями реакций метаболизма. Эти физиологические изменения обеспечивают растениям возможность поглощения воды из засоленного субстрата. Обработка растений пшеницы раствором салициловой кислоты вызывает быстрое накопление абсцизовой кислоты [9]. Это дает основание полагать, что именно с этим гормоном связано изменение анатомо-морфологических структур, обеспечивающих защитное действие салициловой кислоты на пшеницу. В условиях NaCl-засоления происходит постепенное увеличение содержания моносахаров, что можно рассматривать как процесс адаптации, направленный на восстановление осморегуляции в растительных тканях. Использование салициловой кислоты обеспечивает значительное снижение содержания растворимых сахаров, в сравнении с контрольными вариантами, за счет активизации ростовых процессов.

Исследуемый препарат фенольной природы способствует повышению солеустойчивости растений пшеницы как физиологического свойства растений сохранять относительный химический состав клеток и тканей при содержании в почве солей. Салициловая кислота в процессе приспособления к засоленности почвы повышает способность растений переносить почвенное засоление, изменяя морфометрические показатели растения и развивая при этом активные эколого-биологические реакции, направленные на усиление жизнестойкости растения в условиях осмотического стресса.

Таким образом, соотношение солей в почвенном субстрате является для растений определенным формообразующим фактором, который в пределах вида создает отдельные экотипы с характерными анатомо-морфологическими признаками. Вызванные экспериментально резкие физиологические изменения под действием хлористой соли не являются необратимыми, и возможна их коррекция использованием антистрессовых факторов, которые уменьшают эффект снижения физиологических процессов, нивелируют численные показатели морфоструктур растения и стимулируют ростовые показатели.

Список использованных источников

1. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник для вузов. - М.: ДРОФА. - 2010. - 638 с.

2. Терлецкая Н.В. Повреждающее действие абиотических стрессов на растительные клетки зерновых злаков // Труды Никитского ботанического сада. - 2009, т. 131. - С. 152-155.

3. Йонева Ж., Петров-Спиридонов А.Е. Биометрические показатели и осмотический потенциал органов растений в условиях хлоридного засоления // Известия ТСХА, выпуск 3. - 1985. - С. 120-125.

4. Балнокин Ю.В. Растения в условиях стресса // физиология растений: учебник для студ. Вузов / под ред. И.П. Ермакова. - М.: Издательский центр «Академия». - 2005. - С. 510-584.

5. Чудинова Л.А. Физиология устойчивости растений: учеб. пособие к спецкурсу / Л.А. Чудинова, Н.В. Орлова. Перм. ун-т. - Пермь. - 2006. - 124 с.

6. Ctroganov B.P., Klyshev L.K., Azimovidr R.A. Problemy soleustojchivosti rastenij. - Tashkent: FAN. - 1989. - 184 s.

7. Ассаф И. Влияние салициловой кислоты на солеустойчивость проростков пшеницы сорта Cham-6 // Известия ТСХА, выпуск 4. - 2011. - С. 96-100.

8. Белова Т.А., Кравченко А.С. Физиологические основы адаптации растений к воздействию солевого стресса. Auditorium. - 2018, № 1 (17).

9. Шакирова Ф.М., Безрукова М.В. Индукция салициловой кислотой устойчивости пшеницы к засолению среды // Известия РАН, Сер. Биол. 2. - 1997. - С. 149-153.

10. Kuznetsov Vl.V., Shevyakova N.I. Polyamines and plant adaptation to saline environments / Desert Plants. - 2010. - Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer-Verlag. - P. 261-298.

11. Захарин А.А. Особенности водно-солевого обмена растений при солевом стрессе // Агрохимия. - 1990, № 8. - С. 69-79.

12. Крамаренко В.Ф. Токсикологическая химия. - К.: Выща шк. - 1989. - 447 с.

13. Веселов Д.С., Маркова И.В., Кудоярова Г.Р. Реакция растений на засоление и формирование солеустойчивости // Успехи современной биологии. - 2007, т. 127, № 5. - С. 482-493.

14. Филатова Л.А., Кусакина М.Г., Якушева И.Н. Влияние засоления на фотосинтетические показатели этиолированных проростков фасоли при переносе их на свет / Вестник Пермского университета, Биология. - 2008, вып. 9(25). - С. 11-14.

15. Белова Т.А., Нагорная О.В. Анатомо-морфологические и физиологические адаптации растений к осмотическому стрессу // АгроЭкоИнфо. - 2018, № 3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/3/st_328.doc.

Размещено на Allbest.ru