Возможный механизм развития ответной реакции прорастающих семян зерновых культур на воздейчтвие КВЧ-излучения

Калье М.И.

Аспирант, кафедра ботаники и физиологии растений,

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР НА ВОЗДЕЙЧТВИЕ КВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Аннотация

Целью работы являлось изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ -диапазона на физиологические процессы прорастания пивоваренного ячменя и других зерновых культур, а также изучение механизмов воздействия излучения. Предполагается, что КВЧ-излучение может применяться для управления процессами прорастания в растениеводстве и солодоращении.

Ключевые слова: КВЧ-излучение, фитостресс, ячмень Keywords: EHF-radiation, fitostress, barley

Введение

В настоящее время актуальным вопросом современной биологической науки является поиск новых технологий, имеющих широкую сферу применения, в том числе основывающихся на воздействии ранее не изученных факторов. К категории таких факторов относят КВЧ-излучение (излучение крайне высокой частоты нетепловой интенсивности, миллиметрового диапазона - ММ).

Доля данного излучения в общем потоке электромагнитных волн, приходящихся на поверхность Земли, ничтожно мала. Несмотря на это, ученые придают важное значение данному виду излучения, относя его в разряд информационных (т.е. способных передавать некую информацию о окружающем нас мире) [1, 18].

В последние годы окрепло направление, заключающееся в исследовании действия этого фактора на фотосинтезирующие живые системы [2, 24; 3, 100]. Однако основная доля работ посвящена изучению влияния излучения на цианобактерии и микроводоросли. Сведения о воздействии КВЧ-излучения на высшие растения встречаются редко и имеют фрагментарный характер [4, 816].

Механизм действия КВЧ-излучения на биосистемы остается пока невыясненным, хотя выдвигается множество теорий, которые нуждаются в экспериментальной проверке. Например, наиболее часто упоминаемая теория стрессового воздействия излучения из за недостатка доказательной базы не находит однозначного подтверждения [5, 35].

Материалы и методика исследований

Исследования проводились в 2003-2007 годах на семенах ячменя, сорта Джин, а также семенах пшеницы сорта Московская 35 и кукурузы сорта Сахарная. Семена ячменя и пшеницы в количестве 100 шт. помещали в чашку Петри на лист фильтровальной бумаги и заливали 10 мл дистиллированной воды. В опыте с кукурузой 50 семян заливали 20 мл воды. Семена ячменя и пшеницы замачивали в течение 2 часов, кукурузы - 10 часов. Затем проводили облучение (по заданным технологическим параметрам) и проращивали в темноте при температуре 200С: семена ячменя и пшеницы в течение 5 суток, кукурузы - 10 суток.

Семена обрабатывали мм излучением КВЧ-диапазона. Использовали два генератора излучения: с частотой 61,2 ГГц (мощность излучения 12 мВт) и 53,56 ГГц (мощность излучения 30 мВт). Применялась экспозиция облучения 5, 10, 15, 30 минут, расстояние от источника излучения до объекта оставалось постоянным и составляло 20 см.

У семян определяли энергию прорастания и всхожесть, а также жизнеспособность по окрашиванию зародыша. У ячменя измеряли длину корней и проростков и количество корней. Во время прорастания определяли влагопоглощение семян. По окончании периода

* Калье М.И., 2011 г.

прорастания семена высушивали при 700С до постоянной массы. Отшелушивали корешки и проростки от эндосперма и определяли их массу. Эндосперм перемалывали на лабораторной мельнице.

В полученном солоде определяли активность гидролитических ферментов Амилаз и протеаз, а также окислительных ферментов каталазы и пероксидазы. Определяли содержание в солоде сахаров, белка. Смотрели динамику накопления пролина.

Результаты и обсуждение

Нами было отмечено, что обработка КВЧ-излучением приводит к изменению энергии прорастания и всхожести семян всех опытных культур. Причем изменения процесса прорастания при облучении является разнонаправленными, угнетение или активация напрямую зависит от параметров излучения. Снижение показателей прорастания чаще всего происходил на начальном этапе прорастания, что, возможно, связано с развитием первой стадии фитостресса, которая сопровождается торможением анаболических процессов. Повышение энергии прорастания в некоторых вариантах связано с адаптацией растения к физическому воздействию и повышением устойчивости организма.

В результате воздействия КВЧ-излучения происходит изменение содержания воды в семенах в период прорастания. Излучение не повреждает семенные покровы, поэтому можно предположить, что изменение оводненности обусловлено структурными изменениями осмотически активных молекул мембран, причем степень изменения зависит от параметров излучения.

Электромагнитные излучения КВЧ-диапазона при малых параметрах воздействия снижают активность амилаз. Определенная степень угнетения наблюдалась по всем культурам как при частоте 61,2 ГГц, так и при 53,56 ГГц. При этом колебания активности фермента, вероятно, связаны с повреждением ферментных систем, а также с включением процессов саморегуляции под действием излучения.

Установлено, что изменение активности протеаз под действием КВЧ-излучения происходит разнонаправлено. Повышение активности ферментов в некоторых вариантах, скорее всего, связано с усилением катаболических процессов и развитием первой фазы фитостресса после воздействия электромагнитного излучения. Снижение же активности протеолитических ферментов может быть связано с замедлением ростовых процессов и меньшими потребностями растущего зародыша в строительных материалах при дальнейшем развитии стрессовой реакции. Кроме того, при воздействии неблагоприятных условий происходит увеличение количества эндогенных ингибиторов протеиназ белковой природы [7, 332].

КВЧ-излучение оказывает влияние на процессы гидролиза запасных веществ семени, о чем свидетельствует колебания содержания сахаров и белка в опытных вариантах. Изменение содержания запасных веществ также может являться следствием изменения динамики ростовых процессов семени.

КВЧ-излучение как с частотой 61,2 ГГц, так и с частотой 53,56 ГГц приводит к повышению пероксидазной и каталазной активности у семян ячменя и пшеницы. Это говорит о том, что КВЧ-излучение в той или иной степени оказывает стрессовое воздействие на растения.

Под действием излучения происходит изменение накопления пролина. Отмечено повышение содержания пролина при небольших экспозициях КВЧ-излучения (5-10 мин), что может служить проявлением начала стрессовой реакции в ответ на действие фактора -включения защитной антиоксидантной системы и наступления фазы адаптации к физическому воздействию. Снижение же содержания пролина полученное при более длительной экспозиции КВЧ-излучения (15 и 30 мин), объясняется развитием глубокой стресс-реакции и связано с его расходом на инактивацию АФК, так как, благодаря своей химической формуле, пролин способен к окислительно-восстановительным реакциям (тушению окислительного стресса). Количество накапливаемого при действии излучения пролина в наших опытах выросло незначительно. Известно, что под действием сильных

стрессоров концентрация данного вещества может увеличиваться в десятки раз. Следовательно, можно предположить, что КВЧ-излучение изученных параметров является небольшим по силе стрессовым фактором.

Заключение

Представленные результаты позволяют говорить о КВЧ-излучении как о факторе, существенно влияющем на процесс прорастания семян. Что же касается механизма развития ответной реакции со стороны растительного организма, то мы экспериментально подтвердили несколько положений, свидетельствующих о стрессовом влиянии КВЧ-излучения. Во-первых, данные о повышение активности ферментов окислительно-востановительного комплекса каталазы и пероксидазы свидетельствуют об образовании активных форм кислорода и о возможном развитии окислительного стресса. Это подтверждает и повышение содержания индикатора стресса - пролина. Во-вторых, изменение влагопоглощения семян под действием КВЧ-излучения говорит об изменении проницаемости мембран, очевидно, за счет конформации их структуры. В-третьих, под действием излучения получено изменение активности основных гидролитических ферментов, и как следствие, изменение в процессах расщепления и перераспределения веществ эндосперма. Итогом всех вышеперечисленных преобразований является изменение метаболизма сначала отдельных клеток, а затем и целого прорастающего семени. При этом в зависимости от параметров излучения мы регистрируем наступление фазы адаптации или тревоги.

Фаза адаптации сопровождалась ускорением метаболизма и преобладанием анаболических процессов, энергия прорастания и лабораторная всхожесть повышались. Данные процессы мы могли наблюдать при прорастании кукурузы, обработанной излучением с частотой 61,2 ГГц (10 мин) и 53,56 ГГц (30 мин).

Фаза тревоги характеризовалась, наоборот, торможением анаболических (показатели прорастания снижались) и активацией катаболических процессов. Это доказывает повышение гидролитической ферментативной активности и активный распад запасных полимеров крахмала и белков до мономеров: сахаров и аминокислот. Так, у ячменя и пшеницы под действием излучения по всем вариантам отмечено некоторое торможение ростовых процессов. Максимальное угнетающее действие оказала частота 61,2 ГГц (15 мин). У кукурузы снижение анаболизма вызвало излучение 61,2 ГГц (5 мин) и 53,56 ГГц (15 мин).

Литература

1. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. М.: Радио и связь, 1991. - 168с.

2. Бецкий О.В., Кислов В.В., Лебедева Н.Н. Миллиметровые волны и живые системы. М.: САЙНС-ПРЕСС. - 2004. - 272 с.

3. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н. Общие закономерности действия КВЧ-излучения на фотосинтезирующие объекты. В сб. докладов Международного симпозиума «Миллиметровые волны в биологии и медицине» М.: ИРЭ РАН. - 1995.- С. 100-102.

4. Лященко А.К., Лахолат Т.В. Влияние миллиметрового излучения на водные и биологические среды и прорастание семян // 11 Съезд биофизиков России. -1999.- Т. 3.- С. 815.

5. Селье Г. На уровне целого организма. - М.: 1972. - 122с.

6. Мосолов В.В. Новое о природных ингибиторах протеолитических ферментов // Биоорганическая химия. - 1998. - Т. 24, - № 5. - С. 332-340.