Реакция изолированных семядолей cucurbitaceae на условия культивирования и вопрос о её соответствии экологии растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реакция изолированных семядолей cucurbitaceae на условия культивирования и вопрос о её соответствии экологии растений

Омарова З.А.*, Магомедова М.А.**

Таблица 1

Средняя продолжительность жизни семядолей проростков тыквенных, сут. (1998-2003 гг.)

Примечание: Семядоли, отделенные от проростков через 1(а) и 5 суток; (б) после выноса на поверхность

Жизнеспособность растений и отдельных органов проявляется в специфике темпов старения, продолжительности жизни и устойчивости к стрессам (Molisch, 1929; Леопольд, 1968; Желявски, 1980; Полевой, Саламатова, 1991; Woolhouse, 1984). Однако до сих пор не конкретизировано соотношение программной (наследственной, эндогенной) и индуцированной (условиями) регуляции жизнеспособности отдельных органов. Семядоли являются удобной моделью для изучения старения (Клячко, Кулаева, 1975; Кулаева; 1982), жизнеспособности (Омарова, 2002; Омарова, Магомедова, 2002) и оценки экологических особенностей растений.

Материал и методика

Проводилось сравнительное изучение жизнеспособности интактных и изолированных семядолей у растений арбуза (Citrullus linnet Mansf.) сорта Фотон, дыни (Cucumis melo L.) сорта Казачка, кабачка (Cucurbita pepo L.) сортов Белоплодный и Грибовский и огурца (Cucumis sativus L.) сорта Аист под действием разных факторов.

Таблица 2

Продолжительность жизни и ризогенез изолированных семядолей при культивировании в разных условиях освещения (2001 г.)

Варианты: естественное освещение (1), полная темнота (2), перенос на 3 сут. с естественного освещения в темноту (3), и, наоборот, из темноты на естественное освещение (4). "CV" - коэффициент вариации, "max" - максимальная.

Для оценки влияния условий культивирования на жизнеспособность семядолей учитывали сроки отмирания, среднюю продолжительности жизни (ПЖ), сроки развития корней и их число у каждой семядоли ("активность ризогенеза"), укореняемость семядолей (число укоренившихся в % к общему их числу в опыте) и изменение в содержании хлорофиллов a и b в тканях пластинки семядолей спектрофотометрическим методом (на СФ 46) без предварительного разделения пигментов (Гавриленко и др., 1975). Для определения пигментов использовались изолированные семядоли (ИС) без корней в целях исключения влияния укоренения на их содержание. Семена проращивали в промытом песке. У проростков в возрасте 1, 5 и 10 сут. отделяли семядоли на 1-2 мм выше семядольного узла. 30 проростков каждого образца оставляли в качестве контрольных для наблюдения за интактными семядолями.

ИС помещали в чашки Петри на фильтровальную бумагу (слабо увлажнённую водой) по 10-15 штук и культивировали в нестерильных условиях. Бумагу сменяли каждые пять дней. Культивирование проводили при постоянной t=250C варьируя условиями освещения: 14 ч. световой день (700 лк) [1], полная темнота [2], после 3 сут. освещения перенос в темноту [3] и, наоборот, перенос культур из темноты на освещение [4]. В вариантах № 1 часть ИС содержали на воде, а часть на растворах NaCl 20 и 100 мМ. Сравнением результатов по вариантам оценивали жизнеспособность семядолей, определяемой генетически и условиями культивирования.

В таблицах и на рисунках представлены средние арифметические 3-х независимых экспериментов (в каждом из которых было использовано по 30 семядолей) и их стандартные ошибки.

Результаты и обсуждение

Исходные размеры интактных семядолей арбуза сорта Фотон, дыни сорта Казачка, кабачка сорта Грибовский и огурца сорта Аист (на 1 сут. после выноса на поверхность) несколько различались между собой. Длина пластинки семядоли по центральной жилке составляли у объектов 12.7, 12.3, 16.8 и 10.6 мм соответственно. На 6 сут. наблюдений интактные семядоли достигают 14.5, 20.3, 30.6 и 30.1 мм. Таким образом, наибольший прирост в длину на 6 сут. был отмечен у интактных семядолей огурца, которые имели минимальные исходные размеры. Интенсивный рост интактных семядолей дыни, кабачка и огурца обычно завершается на 5-10 сутки после выноса их на поверхность. У арбуза семядоли продолжают увеличиваться в размерах в течении практически всего периода жизнедеятельности (60 суток) вплоть до появления у них первых признаков старения - побурения и потери тургора (Омарова, Магомедова, 2002).

Сроки отмирания интактных семядолей различались у изученных видов (табл. 1). Иногда они варьируют между сортами исследуемых растений (Омарова, 2002). На растениях огурца интактные семядоли отмирали на стадии вегетации растения (после развития 3-4 настоящих листьев) У кабачка - при переходе растения к цветению. Продолжительность их жизни была в среднем на 10 сут. короче, чем у огурца (табл. 1). Укореняемость, интенсивность ризогенеза, ПЖ и содержание хлорофилла у ИС изучаемых объектов различались (табл. 1, 2, рис. 1, 2). Различия по некоторым параметрам обнаружены и между ИС одного вида, но имеющих разный возраст (табл. 1, 2, рис. 2). ПЖ у ИС при культивировании их в условиях освещения превосходит таковую в вариантах темноты (табл. 1, 2). ПЖ у 5-суточных ИС короче, чем 1-суточных за исключением кабачка, варианты 1 и 4. У всех объектов при культивировании ИС в темноте (вариант 2) и после кратковременного экспонирования на свету (3) ПЖ практически не различалась. В этих вариантах жизнеспособность оказалась ниже, чем в вариантах, культивируемых на свету (1 и 4). В темноте большую ПЖ имели ИС арбуза. Постоянное или временное культивирование в темноте (варианты 2 и 4) стимулировало ризогенез у ИС арбуза и кабачка, тогда как у 5-суточных ИС огурца и дыни, наоборот, наблюдалось резкое снижение укореняемости.

Сопоставление средней ПЖ интактных и изолированных семядолей у изученных тыквенных (табл. 1, 2) показало, что средняя ПЖ у семядолей кабачков в интактном и изолированном состоянии оказалась короче, чем у других объектов. Дольше всех сохраняют жизнеспособность интактные и изолированные семядоли арбуза и дынь. Семядоли огурцов занимают по данному показателю промежуточное положение. ПЖ семядолей у арбуза, дыни и огурца, изолированных от проростков на 1 сут. после выноса на поверхность, практически не различается. Однако у арбуза заметно снижение ПЖ 5-суточных ИС, что обусловлено отсутствием у них ризогенеза на свету (табл. 1 и 2).

Показателем жизнеспособности ИС у объектов в условиях темноты или засоления может служить степень сокращения их ПЖ (в %) относительно ИС культивируемых в благоприятных условиях (культивирование в бессолевой среде на свету). Этот показатель зависит как от специфики объекта, так и от возраста семядолей. В условиях темноты в меньшей степени укорачивается ПЖ у 1- и 5-суточных ИС арбуза и 1 суточных ИС кабачка, на 52, 50 и 42% соответственно. У ИС дыни и огурца сокращение ПЖ в темноте выражено в большей степени, особенно у 5-суточных (на 77%). При культивировании ИС кабачка в условиях засоления их ПЖ и жизнеспособность резко снижается, особенно с возрастанием уровня засоления и сроков отделения семядолей от проростков (табл. 1).

Для характеристики жизнеспособности ИС важно проанализировать и соотношение показателей ризогенеза, содержания хлорофилла и биомассы семядолей и ПЖ. ИС у видов, как и интактные, обнаруживают различия в сроках отмирания и сохраняют в целом специфику в сроках регенерации корней и их количестве (табл. 1 и 2).

Прирост биомассы семядоли, активность регенерационных процессов и содержание хлорофиллов a и b у ИС зависят также от сроков их отделения от проростков, и условий культивирования. На свету и в темноте прирост биомассы более выражен у ИС огурцов и кабачков. В то же время не наблюдается прямой связи между приростом и ПЖ семядолей (рис. 1). Так, прирост биомассы семядоли на 5 сут. культивирования в темноте и на свету выше у ИС кабачков, у которых короче ПЖ. У арбуза, огурца и дыни ИС, хотя и мало отличались по ПЖ, обнаруживают различия в приросте (рис. 1).

Таблица 3

Коэффициенты корреляции (r) между продолжительностью жизни изолированных семядолей и показателями ризогенеза при разных условиях культивирования

Примечание: "*" - при Р<0.5; знак "-" означает, что нет данных для корреляционного анализа из-за отсутствия укоренения изолированных семядолей в этом варианте.

Не обнаружено прямой связи между содержанием в тканях ИС хлорофиллов a и b и другими показателями их жизнеспособности. С возрастом в семядолях проростков тыквенных происходит накопление хлорофилла. Поэтому в тканях интактных семядолей изученных объектов на 5 и 10 сут. хлорофилла содержится больше, чем у таковых на 1 сут. развития. Это связано с тем, что их фотосинтезирующий аппарат сформировался ещё до изолирования семядолей (Данович и др., 1982; Леопольд, 1968). У 5- и 10-суточных ИС уровень содержания хлорофилла практически не меняется в течение первых 10 суток культивирования (рис. 2). 1-суточные семядоли в изолированной культуре по мере экспонирования на свету постепенно накапливают хлорофилл в пересчёте на сухую биомассу (рис. 2). Его содержание существенно меняется при дальнейшем культивировании ИС. По мере старения ИС, как и у растений в целом (Леопольд, 1968; Мерзляк и др., 1993), происходит деградация пигментов (Омарова, Магомедова, 2002).

Связь в изменении разных показателей жизнеспособности ИС у изученных объектов в разных условиях культивирования неоднозначна. Отделение семядолей от интактного растения приводит к исключению их из коррелятивных связей между органами. При этом их ПЖ существенно увеличивается. В работе показано, что у огурцов, дынь, кабачков и арбузов в результате укоренения у ИС значительно (на 33-96 %) увеличивается ПЖ. Это согласуется с данными других авторов (Molisch, 1929; Дубровицкая, 1961; Леопольд, 1968, Юсуфов, 1992). Однако бывают и исключения. Регенерация корней у ИС арбуза происходила значительно позже, чем у других объектов, для них характерен и самый низкий процент укореняемости. Но по ПЖ они превосходят ИС кабачка и практически не отличаются от ИС дыни и огурца, регенерирующим корни в более ранние сроки и в большем количестве. При изменении условий культивирования разновозрастных ИС одного и разных объектов связь между некоторыми показателями ризогенеза (сроки развития и число корней) и ПЖ отличается. Так, например, в темноте дольше живут 1-суточные ИС арбуза, кабачка и дыни, у которых корни формируются позже, тогда как у 5- суточных ИС кабачка и дыни обнаружена обратная картина. При этом не всегда ПЖ дольше в вариантах с большим числом корней (табл. 3). Если по активности ризогенеза (средним срокам развития и количеству корней на 1 ИС) объекты располагаются в следующем убывающем порядке: дыня>кабачок>огурец>арбуз, то порядок чередования объектов в таком же ряду по ПЖ меняется: арбуз>дыня>огурец>кабачок. Сравнение 1- и 5-суточных ИС показывает, что возрастной контроль более чётко проявляется в сроках развития и по числу корней, чем в ПЖ.

Условия культивирования (освещение и засоление среды) более значимы для ПЖ семядолей, чем укореняемость, сроки развития и число корней. Так, при культивировании ИС в полной темноте развитие корней у части объектов происходит довольно активно, но это не предотвращает отмирания их пластинок. Более того, ИС арбуза при таком культивировании с низкой активностью ризогенеза в ПЖ не уступают другим объектам, семядоли которых лучше укореняются (рис. 1, табл. 1).

Для сравнительной оценки наследственного фактора в регуляции жизнеспособности семядолей можно использовать сравнение показателей жизнеспособности у объектов в нормальных условиях и степень их изменения под влиянием условий. В нашей работе для этого проводится оценка изменения жизнеспособности семядолей различных объектов в условиях засоления и темноты. Генетическая обусловленность жизнеспособности определяет её пределы, т.е. высшие или оптимальные (в благоприятных условиях) и низшие (под влиянием стрессовых факторов) показатели жизнеспособности. При низших показателях жизнеспособности, определяемыми условиями культивирования, между объектами проявляется меньшая разница, тогда как в благоприятных условиях (естественное освещение, бессолевая среда), она выражена более чётко.

Заключение

Конкретизация роли программного и индуцированного контроля регуляции жизнеспособности семядолей требует наличия количественных показателей её наследуемости в потомстве, что отсутствует в данной работе. Однако и морфофизиологические приёмы позволяют судить об этом. Представления о наследственной обусловленности темпов старения и ПЖ растений и органов ("потенциал жизнеспособности" по Кренке, 1950) были встречены критически, опираясь на факты сдвига границ указанных явлений изменением состояния развития растений под действием разных условий (Добрунов, 1956). Такое отношение было обусловлено отсутствием данных о средних пределах вариации границ сдвига сроков старения и жизни целых растений, их органов и структур в интактном и изолированном состоянии при изменении условий среды. По максимальным срокам жизни нельзя судить о специфике старения растений и органов (Юсуфов, 1982).

Следует чётко различать физиологическую ("потенциальная") и экологическую (норма естественной реализации) ПЖ организмов (Комфорт, 1967). Представления о потенциале жизнеспособности были основаны на учёте темпов старения и ПЖ, как наследственно закреплённой нормы организмов, их органов и структур в экологически оптимальных условиях. Наличие такого явления и его эволюция не вызывает сомнения (Леопольд, 1968; Старостин, 1973, 1974; Юсуфов, Нуантхасинг, 1989; Полевой, Саламатова, 1991; Юсуфов, 1992; Нухимовский, 1997; Molisch, 1929; Sax, 1968; Woolhouse, 1984), как и возможности сдвига сроков старения при изменении условий культивирования, оказывающих влияние на содержание гормонов и активность метаболизма растений и их органов (Mothes, 1960; Jakobs, 1962; Thimann, 1980, Biswal, Mandal, 1987; Bleecker, Patterson, 1997). Эндогенный контроль регуляции старения нарушается при резком изменении условий культивирования. Эти положения подтверждаются на примере как интактных (Омарова, Магомедова, 2002; Омарова, 2002), так и изолированных семядолей изученных объектов. Очевидно, что роль внешних условий в регуляции жизнеспособности семядолей следует определить с учётом генетической её обусловленности (рис. 1, 2). Последняя и ограничивает пределы реализации жизнеспособности у ИС объектов при изменении условий культивирования (табл. 1). Так, различия устойчивости к темноте у ИС изученных объектов в определённой степени сочетаются с их отношением к условиям освещения (Белик, 1967; Фурса, Филов, 1982).

Приведённые данные свидетельствуют о том, что жизнеспособность ИС у изученных объектов является генетически (эндогенно) регулируемым признаком. Заслуживают внимания различия показателей жизнеспособности ИС у разных объектов, проявляющиеся в неодинаковом уровне устойчивости к условиям культивирования. В связи с этим корреляция между изученными показателями жизнеспособности у ИС (рис. 2, табл. 3) при изменении условий их культивирования выражена неодинаково. Более устойчивая реализация характерна для ПЖ (рис. 1, табл. 1) как генетически и экологически регулируемого явления. Эволюционные предпосылки различий в эндогенной регуляции жизнеспособности семядолей нуждаются в дальнейшем изучении.

Данные по реакции ИС разных видов на условия культивирования могут быть использованы для оценки экологической нормы объектов по комплексу показателей. Несмотря на несовпадение направленности изменения разных показателей жизнеспособности ИС пределы их отклонений в зависимости от условий культивирования близки экологической (наследственной) норме объекта. Поэтому изучение реакции изолированных органов на условия культивирования может служить в качестве одного из тестов для оценки реакции растений.

Литература

изолированные семядоли cucurbitaceae культивирование

1. Белик В.Ф. Биологические основы культуры тыквенных: огурец, арбуз, дыня, тыква: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. - Л., 1967. - 23 с.

2. Гавриленко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. - М.: Высшая школа, 1975. - 392 с.

3. Добрунов Л.Г. Физиологические изменения в онтогенезе растений. - Алма-Ата: Изд. АН Казах ССР, 1956 - 252 с.

4. Дубровицкая Н.И. Регенерация и возрастная изменчивость растений. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 230 с.

5. Желявски В. Старение растительного организма. Обзор опытов и гипотез // Физиология растений, 1980. - Т.27. №4.- С.869-879.

6. Клячко Н.Л., Кулаева О.Н. Факторы старения и омоложения листьев // Биология развития растений. - М.: Наука, 1975. - С. 214-229.

7. Комфорт А. Биология старения. - М.: Мир, 1967. - 395 с.

8. Кренке Н.П. Регенерация растений. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950. 667 с.

9. Кулаева О.Н. Гормональная регуляция физиологических процессов у растений на уровне синтеза РНК и белка. - М.: Наука, 1982. - 84 с.

10. Леопольд А. Рост и развитие растений. - М.: Мир, 1968, - 489 с.

11. Мерзляк М.Н., Хендри Дж. А., Атертон Н.М., Жигалова Т.В., Павлов В.К., Житенева О.В. Деградация пигментов, перекисное окисление липидов и активность свободнорадикальных процессов при осеннем старении листьев // Биохимия, 1993 . - Т. 58. № 2. - С. 240-249.

12. Нухимовский Е.А. Основы биоморфологии растений. I. Теория организации биоморф. - М.: Недра, 1997. - 630 с.

13. Омарова З.А. Эколого-морфологические особенности и жизнеспособность семядолей тыквенных: Автореф. дис. … канд. биол. наук. - Махачкала, 2002. - 24с.

14. Омарова З.А., Магомедова М.А. Жизнеспособность интактных и изолированных семядолей тыквенных // Бот. журнал , 2002. - Т. 87, № 10. С. 80-85.

15. Полевой В.В., Саламатова Т.С. Физиология роста и развития растений. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. - 235 с.

16. Старостин Б.А. Продолжительность жизни растений в филогенезе // Бюлл. МОИП, отдел биол., 1973. - Т. 78. Вып. 5. - С. 80-89.

17. Старостин Б.А. Эволюционные и системные проблемы продолжительности жизни и старения у растений // Журн. общ. биол., 1974. - Т.35. №4. - С. 494-506.

18. Фурса Т.Б., Филов А.И. Арбуз, тыква.- М.: Колос, 1982. -179 с.

19. Юсуфов А.Г. Биология старения цветковых растений. - Махачкала: Изд. ДГУ, 1992. - 203 с.

20. Юсуфов А.Г., Нуантхасинг Л. Эндогенная регуляция продолжительности жизни растений и её эволюционные аспекты // Журнал общей биологии, 1989. - Т. 49, № 6. - С. 764-777.

21. Biswal A.K., Mandal S.K. Whole plant senescence in Pennisetum typhoides: implication of sourse-sinx relationship // Jour. Plant Physiol., 1987. - V. 127, № 8.- P. 317-377.

22. Bleecker A.B., Patterson S.E. Last exit: senescence abscission and meristem arrest in Arabidopsis // Plant Cell, 1997. V. 9. № 7. P. 1169-1179.

23. Jacobs W.P. Longevity of plants organs: internal factors controlling abscission // Ann Rev. Plant Physiol., 1962. - V. 13. - P. 403-436.

24. Molisch H. Die Lebensdauer der Pflanze. Jena. Gustav Fischer Verlag. 1929. 189 s.

25. Mothes K. Uber das Altern den Blattern und Moglichkeit ihrer Widerjungung // Naturwissenschaften, 1960. - Bd. 47. № 15. - S. 337-350.

26. Sax K. Aspects of aging in plants // Ann. Rev. Plant Physiol., 1968. - V. 13. - P. 489-506.

27. Thimann K.V. The senescence of leaves // Senescence in plants. Boca Raton, Florida: CRc Press, Inc., 1980. - P. 85-116.

28. Woolhouse H. W. Senescence and longevity in the life cycle of seed plants. Oxford: Blackwell Sci. Publ., 1984. - 324 p.

Размещено на Allbest.ru