Роль цитоколлоидов в формировании морозо- и заморозкоустойчивости яровых культур на примере сои и льна

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ

Роль цитоколлоидов в формировании морозо- и заморозкоустойчивости яровых культур на примере сои и льна Зеленцов С. В.1, Мошненко Е. В.2, Рябенко Л. Г.3, Зеленцов В. С.4, Будников Е. Н.5, Бубнова Л. А.6, Вайлова А. В.7

1 Зеленцов Сергей Викторович / Zelentsov Segrey Viktorovich - доктор сельскохозяйственных

наук, и. о. заведующего отделом сои; 2Мошненко Елена Валентиновна /Moshnenko Elena Valentinovna - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела сои; 3Рябенко Лариса Григорьевна /Ryabenko Larisa Grigoryevna - кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией селекции льна масличного; 4Зеленцов Виктор Сергеевич / Zelentsov Victor Sergeyevich - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории селекции льна масличного; 5Будников Евгений Николаевич /Budnikov Evheniy Nikolaevich - старший научный сотрудник

отдела сои;

6Бубнова Любовь Александровна /Bubnova Lyubov' Alexandrovna - младший научный сотрудник

отдела сои;

7Вайлова Алёна Владимировна / Vaylova Alyona Vladimirovna - младший научный сотрудник

отдела сои,

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт масличных культур им. В. С. Пустовойта,

г. Краснодар

Аннотация: актуальность темы обусловлена низкой эффективностью селекции яровых культур на морозоустойчивость с применением известных методов отбора по содержанию в цитоплазме углеводов, аминокислот и других соединений с криопротекторными свойствами. Установлено, что степень устойчивости растений к отрицательным температурам определяется долей коллоидов в цитоплазме, снижающих точку замерзания клеточного сока.

Abstract: the relevance of the topic due to the low efficiency of spring crops' breeding for frost resistance using known methods of selection of the content in the cytoplasm of carbohydrates, amino acids and other compounds with cryoprotective properties. The proportion of colloids in the cytoplasm, which reduce the freezing point of the cell sap, determines the degree of plant resistance to low temperatures.

Ключевые слова: соя, масличный лён, заморозкоустойчивость, морозоустойчивость, клеточный сок, цитозоль, цитоколлоиды.

Keywords: soybean, oilseed flax, freeze resistance, frost resistance, cell sap, cytosol, cyto-colloids.

УДК 581.1.045:633.853.52+633.854.54[631.52

В южных регионах России выращивание сои и масличного льна нередко ведётся в климатических зонах с дефицитом летних осадков и сопряжено с большими рисками из-за частых летних засух [1]. Одним из экономически эффективных способов ухода от засух может стать сдвиг сроков посева этих культур на более ранние сроки (конец зимы - начало весны), а в климатических подзонах с мягкой зимой (Предкавказье, степной Крым) возможен перевод льна даже на подзимние сроки посева [2; 3]. Однако в имеющихся в России генофондах сои и льна, за редким исключением, практически нет форм сои, способных выдерживать ранневесенние заморозки ниже минус 3,5°С, и форм льна, способных выживать при зимних морозах ниже минус 10-12°С [4].

В результате многочисленных исследований по изучению механизмов и факторов повышенной морозоустойчивости растений было установлено, что этот признак положительно коррелирует с увеличенной массовой долей некоторых органических соединений в цитоплазме, обладающих криопротекторными свойствами, такими как водорастворимые углеводы (глюкоза, сахароза), некоторые аминокислоты (пролин и др.), моно- и триглицериды жирных кислот [5].

Однако повышение морозоустойчивости только за счёт увеличения, например, водорастворимых углеводов в тканях растений, совершенно не объясняет эффект длительного сохранения при отрицательных температурах их цитоплазмы в жидкой, или, по крайней мере, в некристаллизующейся фазе. Так, например, при концентрации цитоплазмы в тканях проростков многих яровых культур около 3-4 % точка замерзания клеточного сока, рассматриваемого как истинный раствор, и рассчитанная, например, по молярной массе сахарозы, должна составлять около минус 0,2°С, по глюкозе или фруктозе - минус 0,3-0,4°С. Увеличение концентрации клеточного сока при закаливании растений до 5-6 % за счёт повышенного количества водорастворимых углеводов, безусловно, снижает расчётную точку кристаллизации, но всего до минус 0,3°С по сахарозе, и до минус 0,5-0,7°С - по глюкозе и фруктозе. При этом в реальных условиях цитоплазма у различных яровых культур не кристаллизуется даже при минус 3-7°С, у озимых культур - до минус 18-25°С, а у арктических популяций дикорастущего вида льна - даже до минус 50°С, что не может быть объяснено простым увеличением концентрации клеточного сока за счёт известных криопротекторных соединений [6]. В результате, из-за недостаточной эффективности физиологических методов оценки современная селекция растений во всём мире в большинстве случаев вынужденно вернулась к методам выделения доноров повышенной устойчивости к отрицательным температурам путём прямого промораживания растений [7].

Таким образом, актуальность исследований по поиску факторов и физиологических механизмов повышенной устойчивости к отрицательным температурам, пригодных для практической селекции заморозко- и морозоустойчивых сортов яровых культур, сохраняется.

Материал и методы. Эксперименты проводили в 2013-2015 гг. на экспериментальной базе ФГБНУ ВНИИМК, г. Краснодар. В экспериментах использовали слабозаморозкоустойчивые сорта сои Лира и сорт льна ВНИИМК 620; более заморозкоустойчивые сорт сои Славия и сорт льна Снегурок. В качестве высокозаморозкоустойчивого контроля к сое использовали сорт люпина узколистного Смена. Для определения заморозко- и морозоустойчивости сои и масличного льна in vivo посев всех сортообразцов осуществляли в октябре. После наступления позднеосенних заморозков и зимних морозов проводили все необходимые наблюдения и учёты. Из части взошедших растений сои, люпина и льна на каждом варианте прессованием получали объёмы клеточного сока, достаточные для определения его концентрации в 4-х повторениях. Клеточный сок всех сортообразцов промораживали при температурах минус 5, минус 15 и минус 20°С. Последующую разморозку проводили при комнатной температуре в течение последующих суток для завершения процессов коагуляции и седиментации цитоколлоидов. Концентрацию цитозолей определяли на рефрактометре РЯ-101а с погрешностью +0,1 абс. %. Расчёт температур замерзания растворов выполняли с использованием on-line калькулятора [8].

Результаты и обсуждение. Полевая оценка всходов сои при подзимнем (октябрь) посеве показала, что некоторые сортообразцы сои могут выживать при заморозках до минус 4-5°С (рис. 1).

а б

Рис. 1. Сравнительная реакция различных сортообразцов сои на осенние заморозки

до минус 5°С

а - криотермальная гибель растений слабозаморозкоустойчивого сортообразца; б - выжившее растение высокозаморозкоустойчивого сортообразца

Оценка коллекции масличного льна при подзимнем посеве также показала различную выживаемость в условиях морозов. Большая часть коллекционных образцов льна погибала при температурах воздуха минус 10°С. Однако отдельные формы льна успешно выживали при температурах, неоднократно опускавшихся до минус 20°С, в том числе и в условиях отсутствия снега (рис. 2).

Если допустить, что клеточный сок исследуемых образцов представляет собой идеальный водный раствор, то, согласно второму закону Рауля, их температуры замерзания должны быть прямо пропорциональны молярной концентрации основного растворимого вещества, то есть, чем выше концентрация раствора, тем ниже точка его замерзания [9].

а б

Рис. 2. Сравнительная реакция различных сортообразцов масличного льна на бесснежные морозы до минус 20°С а - криотермальная гибель растений сортообразца со слабой морозоустойчивостью; б - выжившие растения сортообразца с высокой морозоустойчивостью

Тогда на основании этого закона более заморозко- и морозоустойчивые сортообразцы должны отличаться повышенной концентрацией клеточного сока. Однако в тканях растений сои, заметно отличающихся по заморозкоустойчивости in vivo, исходная концентрация клеточного сока была практически одинаковой и варьировала в пределах 4,2-4,3 %. У использовавшегося в эксперименте в качестве высокозаморозкоустойчивого контроля образца люпина узколистного этот показатель

оказался ещё ниже и составлял 3,4 %. Концентрация клеточного сока в тканях сортообразцов льна с различной морозоустойчивостью также была близкой и составляла 2,5-2,6 % (таблица).

Основным компонентом клеточного сока являются низкомолекулярные водорастворимые углеводы. Если за основу водного раствора цитоплазмы брать глюкозу (молярная масса 180,16 г/моль), то расчётные температуры его замерзания у сои будут составлять всего минус 0,45-0,46°С; у люпина - минус 0,36; у льна - минус 0,26-0,28°С. Расчётные температуры замерзания клеточного сока, где основным компонентом является сахароза (молярная масса 342,30 г/моль), при заданных концентрациях будут составлять у сои - минус 0,24°С; у люпина - минус 0,19°С; у льна - минус 0,14-0,15°С. Однако в реальных полевых условиях температуры замерзания цитоплазмы и криотермальной гибели растений сои, люпина и льна оказывались намного ниже (см. таблица).

Таблица 1. Некоторые физические параметры цитоплазмы сортообразцов сои, люпина и льна с различной заморозко- и морозоустойчивостью

Культура Сорт Концентрация цитоплазмы, % Расчётная температура замерзания цитоплазмы, С Температура замерзания растений in vivo, С

по глюкозе по сахарозе

Соя Лира 4,3 -0,46 -0,24 -2,5

Славия 4,2 -0,45 -0,24 -5,0

Люпин узколистный Смена 3,4 -0,36 -0,19 -12,0

Лён ВНИИМК-620 2,6 -0,28 -0,15 -10,0

Снегурок 2,5 -0,26 -0,14 -20,0

Выявленные особенности реакции цитоплазмы на переохлаждение наиболее адекватно объясняются свойствами коллоидных растворов. В частности, точки замерзания коллоидных растворов намного ниже, чем у истинных растворов, поскольку большинство молекул воды в коллоидных мицеллах находятся в связанном состоянии. Поэтому при понижении температур до минус 2,5°С для сои и до минус 10°С для льна, их цитозоли не кристаллизуются, а застудневают без повреждения органелл клеток. Однако дальнейшее понижение температур приводит к потере поверхностного заряда и коагуляции коллоидов, сопровождающееся высвобождением из них связанной воды. В результате в застуденевшем цитозоле образуются области со свойствами истинных растворов с точкой замерзания около 0°С, которые и становятся инициальными центрами несовместимой с жизнью клеток кристаллизации цитоплазмы.

Таким образом, можно предположить, что повышенная заморозко- и морозоустойчивость отдельных генотипов сои и льна определяется повышенной концентрацией коллоидов в цитоплазме. Количественные параметры этого показателя можно оценить при глубоком промораживании цитоплазмы, обеспечивающей максимально полную коагуляцию и седиментацию всех коллоидных фракций цитозоля.

Анализ цитозолей показал, что при суточной экспозиции в криокамере при температуре минус 5°С образец сои с низкой заморозкоустойчивостью отличался значительным (на 29 %) снижением концентрации цитоплазмы за счёт интенсивной седиментации коагулянтов. Концентрация цитозоля более заморозкоустойчивого образца сои при этих условиях снизилась в меньшей степени - всего на 12 %. Этот же параметр у цитозоля люпина практически не изменился (рис. 3).

5.0

^ 4.5 к

2 4.0

01 Я-

о

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

т

*..... А

9 --#

ч ч ч

исходная -5 -15 -20

Температура промораживания цитозоля, °С

—О—Образец сои с устойчивостью к заморозкам до-2,5 °С —•—Образец сои с устойчивостью к заморозкам до-5 °С —Д-- Образец люпина с устойчивостью к морозам до 12 "С

Рис. 3. Концентрации цитозолей сои и люпина после суточного промораживания при -5, -15 и -20°С

При промораживании при минус 15°С седиментационное снижение концентрации цитозоля слабо заморозкоустойчивого образца сои оказалось близким к варианту с промораживанием при минус 5°С. В то же время у высоко устойчивого к заморозкам образца сои снижение концентрации цитозоля возросло на 38 %. Также отмечено незначительное (на 9 %) уменьшение концентрации цитозоля у люпина. Экспозиция цитозолей при минус 20°С практически не повлияла на изменение их остаточной концентрации у обоих образцов сои по сравнению с их экспозицией при минус 15°С. При этом концентрация цитозоля люпина уменьшилась почти в два раза по сравнению с исходным уровнем.

Аналогичный эксперимент с экспозицией цитозолей при отрицательных температурах был проведён на образцах льна, отличающихся различной морозоустойчивостью (рис. 4).

Рис. 4. Концентрации цитозолей образцов льна с различной морозоустойчивостью после промораживания при -5, -15 и -20°С

При температуре минус 5°С цитозоли льна оставались в жидкой фазе и стабильно сохраняли свою концентрацию. У слабоморозоустойчивого образца льна, замерзающего при температурах ниже минус 10°С, при промораживании при температуре минус 15°С выявлено снижение концентрации клеточного сока. В этих же условиях у высокоустойчивого к морозам образца льна концентрация цитозоля практически не изменилась.

В условиях промораживания при температуре минус 20°С концентрация цитозоля слабоморозоустойчивого образца за счёт интенсивной коагуляции и седиментации коллоидных компонентов снизилась на 80 % относительно исходных значений in vivo. При этом концентрация клеточного сока высокоморозоустойчивого образца льна снизилась всего на 31 %.

Выводы. Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать заключение о том, что снижение температур до околокритических значений (для сои -минус 2,5°С; для льна - минус 10°С) позволяет дифференцировать исходный материал сои и льна по устойчивости коллоидных компонентов их цитозолей к криотермальной коагуляции и седиментации, и, как следствие - заморозко- и морозоустойчивости отдельных генотипов. На фоне отрицательных температур ниже минус 5°С более заморозкоустойчивые генотипы сои отличаются увеличенной седиментацией коллоидных коагулянтов и пониженной, относительно слабозаморозкоустойчивых форм, концентрацией клеточного сока после промораживания.

Литература

1. Зеленцов С. В., Рябенко Л. Г., Мошненко Е. В., Зеленцов В. С. Перспективы создания зимующих форм масличного льна для юга России // В сб. трудов Междунар. науч.-практ. конф., посвящённой 100-летию со дня рожд. М. М. Цыбы, 5 ноября 2014 г. - Петрозаводск, Изд-во ПетрГУ, 2014. - С. 46-52.

2. Зеленцов С. В., Мошненко Е. В., Перспективы использования сверхранних посевов сои в условиях Краснодарского края. - Масличные Культуры, 2010. - Вып. 1 (142143). - С. 87-94.

3. Лукомец В. М., Бочкарёв Н. И., Зеленцов С. В., Мошненко Е. В. Создание сортов сои с расширенной адаптацией к изменяющемуся климату Западного Предкавказья - Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2012. - т. 1. - № 35. - С. 248-254.

4. Бубнова Л. А., Зеленцов С. В. Отбор заморозкоустойчивых генотипов сои на ранних этапах онтогенеза - Современные тенденции в сельском хозяйстве // Сб. тр. I Междунар. интернет-конф. - Казань: ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский) Федеральный университет, 15-17 октября 2012 г. - С. 39-43.

5. Туманов И. И. Физиология закаливания и морозостойкости растений. - М.: Наука, 1979. - 349 с.

6. Лукомец В. М., Зеленцов С. В., Рябенко Л. Г. Применение закона гомологических рядов при определении потенциальной адаптивности культурного льна Linum usitatissimum L. к приполярным и альпийским условиям (обзор) - Масличные Культуры, 2015. - Вып. 1 (161). - С. 121-132.

7. Методы определения морозостойкости растений. / Под ред. И. И. Туманова. -М.: Наука, 1967. - 88 с.

8. Температура начала кипения и кристаллизации (замерзания) растворов не электролитов. - [Электронный ресурс]. - URL: http://planetcalc.ru/352/ (дата обращения: 28.11.2015).

9. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1988. -С. 174-177.