Действие теплового шока на ростовые процессы проростков пшеницы

ДЕЙСТВИЕ ТЕПЛОВОГО ШОКА НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ

2008Абдуллаева Т.М., Магомедова М.А.

Дагестанский государственный педагогический университет

Известно, что на прорастание семян очень большое влияние оказывает температура. Допосевная обработка семян фитогормонами, восполняя их недостаток, в значительной степени снижает отрицательное действие высокой температуры как на всхожесть семян, так и на темпы роста проростков, проявляя тем самым защитную функцию.

It is known that seed germination is greatly influenced by temperature. Pre-sowing seed processing with phyto-hormones, making up for their lack, considerably reduces the negative impact of high temperature both on germinating ability, and on the rate of acrospires’ growth, displaying thereby a defensive function.

Ключевые слова: проростки пшеницы, тепловой шок, фитогормоны.

Keywords: wheat acrospires, heat shock, phyto-hormones.

Как известно, растения в природе подвергаются постоянному действию ряда абиотических и биотических

факторов. Из абиотических факторов тепловой шок является одним из наиболее распространенных стресс-факторов. В связи с этим значительный интерес представляют исследования, направленные на

повышение теплоустойчивости

растений. Подобные исследования привлекают особое внимание,

поскольку глобальное потепление,

непосредственно связанное с

прогнозируемым изменением климата на планете, может отрицательно сказаться на жизнедеятельности и продуктивности растений.

Известно, что наиболее важным показателем, характеризующим действие высокой температуры, являются ростовые процессы [17].

Изменение роста в ответ на

тепловое воздействие - одна из

наиболее чувствительных реакций, которая проявляется, прежде всего, в торможении ростовых процессов

вплоть до их полной остановки. Высокая температура не только задерживает рост целого растения, листьев, корней, но и прорастание семян, а также скорость роста проростков [8, 10, 14, 20].

Семена, находящиеся в состоянии вынужденного покоя, обычно способны прорастать в широком интервале температур, если они находятся в условиях нормального водоснабжения и достаточно обеспечены кислородом. Для прорастания семян многих видов растений оптимальной температурой является 25-28°С. В то же время температура 40°С оказывается критической и затрудняет прорастание [26]. В последние годы значительная роль в регуляции адаптационных механизмов к различного рода стрессам отводится фитогормонам и их синтетическим аналогам, действие которых направлено на ослабление отрицательного эффекта стресса, в том числе и теплового [14, 16]. Между тем информация об участии

фитогормонов в формировании механизмов устойчивости растений к действию высокой температуры в литературе довольно ограничена, а имеющиеся сведения носят к тому же противоречивый характер, что не позволяет однозначно решить вопрос об их роли в теплоустойчивости растений [16].

Согласно данным литературы [10] отрицательное действие высокой температуры проявляется уже на начальных стадиях прорастания

семян (набухание - прокпевывание). К тому же следует учесть, что семена более чувствительны к фитогормонам на ранних этапах прорастания, и это объясняется низким их эндогенным

уровнем в этот период [12, 15]. В связи с этим нами было выдвинуто предположение, что предварительная обработка семян фитогормонами

могла бы нивелировать

отрицательное действие теплового шока при набухании. Целью работы явилось изучение влияния теплового шока на прорастание семян и процессы роста проростков пшеницы при предобработке их

фитогормонами.

Методика исследования.

В качестве объекта исследования были использованы семена пшеницы (ТпИсит авв^ит /_.). Семена в количестве 50 штук замачивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге в дистиллированной воде (контроль), а также в одном из растворов фитогормонов: ИУК - 10 мг/л, гиббереллина 10 мг/л и 6-

бензиламинопурина (6-БАП) - 1 мг/л. После 24-часового пребывания в воде и в растворах фитогормонов семена тщательно промывались вначале водопроводной, а затем

дистиллированной водой. Далее часть набухших семян различной обработки помещалась в термостат, где выдерживалась в течение одного часа при температуре 40°С. После пребывания в термостате

проращивание семян продолжалось в чашках Петри при обычной температуре.

Ежедневно определялась

всхожесть семян, а в возрасте 10 дней проводилось измерение длины главного корня, а также длины побега проростка (от места выхода из зерновки до кончика первого листа). В ходе эксперимента определяли ростовые параметры: сырую и сухую массу надземной части и корневой системы проростков. Сухую массу определяли после высушивания частей растений в термостате при 105°С. Опыт проведен в 3-кратной повторности. В таблицах 1-3 представлены средние арифметические значения опыта и их стандартные ошибки.

Результаты и обсуждение.

Поскольку одним из показателей качества семян является всхожесть, прежде всего, было проведено изучение их всхожести при действии фитогормонов.

Таблица 7

Влияние фитгормонов в сочетании с высокой температурой на всхожесть семян пшеницы

Варианты опыта % проросших семян

Дни учёта

3-й 4-й 5-й

1 2 1 2 1 2

Контроль (вода) 60±1,3 20±1,1 70±1,2 25±0,5 80±1,4 30±0,3

БАП 85±0,9 70±1,9 90±1,1 75±1,7 98±1,5 85±1,7

ИУК 80±1,2 60±0,9 85±0,9 65±1,3 95±1,1 72±1,4

ГКз 70±0,6 30±0,7 80±0,6 40±1,2 90±1,7 50±0,6

1 - семена обработаны фитогормонами;

2 - семена обработаны фитогормонами и подвергнуты далее воздействию высокой температуры

Как свидетельствуют данные, представленные в таблице 1, все фитогормоны стимулировали

прорастание семян. Процент проросших семян по всем вариантам обработки был выше, чем в контроле. Между тем в пределах самих фитогормонов отмечены различия в действии на прорастание семян. Стимуляционный эффект был более всего выражен в варианте по обработке БАП. Так, при предобработке БАП на 3-й день

опыта проросло 85% семян пшеницы, в варианте с ИУК - 80%, а с гиббереллином - 70%. Это и понятно, так как цитокинины повышают всхожесть даже долго хранившихся семян, что связывают с их аттрагирующей способностью [12].

Предобработка семян

экзогенными фитогормонами

снимала в некоторой степени отрицательное действие высокой температуры на прорастание семян пшеницы (табл. 1, рис. 1).

%

Рис. 1. Влияние фитогормонов (I) в сочетании с высокой температурой (II) на ростовые процессы проростков пшеницы. 1 - контроль; 2 - БАП; 3 -

гиббереллин; 4 - ИУК

Так, процент проросших семян на 3-й день опыта в контроле, то есть у семян, выдержанных в воде и в дальнейшем подвергнутых

воздействию высокой температуры, был на 50% ниже, чем в варианте с БАП, на 40 и 10% ниже, чем

соответственно в вариантах с ИУК и ГКз. Эти же данные указывают и на то, что ИУК в сочетании с высокой температурой более эффективна в прорастании семян, чем ГКз.

Таблица 2

Влияние последовательного действия фитогормонов и высокой температуры на ростовые процессы проростков пшеницы

Варианты опыта Длина проростка, в см Длина наибольшего корня, в см

1 2 1 2

Контроль (вода) 3,5±0,1 1,4±0,3 5,7±0,2 1,4±0,1

БАП 9,5±0,6 6,2±0,2 12,3±0,5 5,7±0,2

ИУК 7,6±0,2 3,1 ±0,1 11,8±0,1 3,3±0,3

ГКз 6,1 ±0,1 2,1 ±0,1 7,5±0,4 2,1 ±0,1

1 - семена обработаны фитогормонами;

2 - семена обработаны фитогормонами и далее подвергнуты действию теплового шока

Полученные экспериментальные данные (табл. 1) показывают, что, хотя фитогормоны отчасти снимают отрицательное действие высокой температуры, тем не менее процент проросших семян, не подвергнутых гипертермии, выше. Возможно, что при высокой температуре активизируются ферменты,

разрушающие как эндо-, так и

экзогенные фитогормоны. В

литературе имеется немало сведений о снижении содержания в растениях под влиянием теплового стресса ауксинов, цитокининов и

гиббереллинов [4, 11, 16, 20, 22, 25]. Высокая температура не только задерживает процессы набухания и прорастания, но и подавляет ростовые процессы проростков. Как показывают полученные нами результаты (табл. 2), длина большого корня при предпосевной обработке семян фитогормонами больше, чем при последовательном действии

фитогормонов и высокой температуры (рис. 1). При этом отмечается более

отрицательное влияние теплового шока на корневую систему, чем на побег проростка, что согласуется с данными в литературе [3]. Так, например, отношение длины корня при воздействии фитогормонов к длине при сочетании фитогормонов с высокой температурой составило в контроле - 4,0 см, в варианте с БАП -2,1 см, с ИУК - 3,5 см и ГКз - 3,6 см. Отношение же по длине надземной части по этим же вариантам составило соответственно 2,5, 1,5, 2,4 и 3,0. Приведенные данные

свидетельствуют также о том, что ростовые процессы корня и надземной части менее всего подавлены в варианте с БАП в сочетании с высокой температурой и более в варианте с гиббереллином.

Об угнетении ростовых процессов проростков высокой температурой свидетельствует и уменьшение сырого и сухого веса корней и надземных частей проростков (табл. 3, рис. 1).

Таблица 3

Влияние фитогормонов в сочетании с высокой температурой на сырой и сухой вес проростков

Варианты опыта Сырой вес проростка, в мг Сухой вес проростка, в мг

В надземной части В корне В надземной В корне

1 2 1 2 1 2 1 2

Контроль (вода) 90±2 70±2 21 ±2 18±1 43±3 27±3 15±1 10±1

БАП 132±3 120±3 35±3 26±2 70±4 52±2 29±3 21 ±2

ИУК 121 ±5 80±5 40±5 29±3 55±3 41 ±4 31 ±2 25±1

ГКз 140±3 90±4 23±2 18±1 75±5 27±3 27±1 10±1

1 - семена обработаны фитогормонами;

2 - семена обработаны фитогормонами и далее подвергнуты действию теплового шока

Как видно из полученных данных, наиболее низкий вес сырой и сухой надземной части проростков в контроле и несколько выше, чем в контроле, в варианте с ИУК в сочетании с высокой температурой, а более высокий - в вариантах предобработки БАП и ГКз. Что касается сырого и сухого веса

корней, то этот показатель наиболее высокий при предобработке семян ИУК и воздействии высокой температурой, и чуть ниже по варианту с БАП. Таким образом, гиббереллин, как в отдельности, так и в сочетании с высокой температурой, увеличивал сырой и сухой вес надземной части

проростков, уменьшая вместе с тем, в противоположность ИУК, сырой и сухой вес корней. Это и понятно, так как гиббереллин - это гормон образования и роста стебля [15], а ИУК - гормон ризогенеза [13]. Промежуточное положение между гиббереллином и ИУК по влиянию на сырой и сухой вес надземных частей проростков и корней занимает, как показывает таблица 3, вариант с БАП.

О различном влиянии

фитогормонов в сочетании с высокой температурой на данные показатели свидетельствует, например, и отношение сухого веса корней к сухому весу надземных частей проростков по разным вариантам обработки. Так, по варианту с гиббереллином это отношение составило 0,3; с БАП - 0,4, по ИУК -0,5, а в контроле - 0,3. Эти данные показывают, что предобработка семян гиббереллином не снимает отрицательное воздействие высокой температуры на сухую массу корней. Этот показатель оказался одинаковым по варианту обработки гиббереллином и в контроле. Видимо, высокая температура действует более отрицательно как на эндогенные, так и на экзогенные гиббереллины, в то время как БАП и ИУК более устойчивы к этому фактору. Об этом свидетельствует то обстоятельство, что после теплового воздействия может наблюдаться не только снижение уровня цитокининов и ИУК, но в ряде случаев незначительные их изменения [7, 16, 23] или даже возрастание концентрации [5, 6, 27]. Увеличение же эндогенного уровня ИУК и БАП является важным, так как более высокий их уровень играет защитную роль и способствует повышению устойчивости к тепловому стрессу. В литературе имеются данные о повышении устойчивости растений к тепловому стрессу с помощью обработки цитокининами [1, 11, 9]. Цитокинины повышают устойчивость

не только к тепловому стрессу, но и к другим неблагоприятным факторам, в частности, к гипотермии, водному дефициту, грибной и вирусной инфекции [12].

Сведений о роли ИУК в

устойчивости к обезвоживанию и перегреву немного [21]. Так, согласно исследованиям Пустовойтовой [21], в условиях засухи растения, обогащенные ИУК, обладали

повышенной стойкостью к обезвоживанию и перегреву, что

служит показателем их лучшей адаптации к неблагоприятным условиям.

В пользу участия ИУК в

формировании защитной реакции на тепловой стресс [16]

свидетельствуют и данные о

существенной роли ИУК при

«переводе» растения в состояние стресса при тепловом шоке [6].

Гормонам гиббереллинам при тепловом стрессе практически не

уделялось внимание, хотя они играют далеко не второстепенную

роль в регуляции ростовых процессов [16].

Считают, что в отличие от БАП и ИУК эндогенные ГПВ не играют существенной роли в формировании устойчивости растений [16, 25], о чем свидетельствует ее снижение под влиянием низких и высоких

температур после предварительной обработки ГКз [22].

В известной нам литературе [14] описан лишь единичный случай повышения всхожести семян в условиях высокой температуры при предобработке ГКз.

Таким образом, допосевная

обработка семян фитогормонами, восполняя их недостаток, в значительной степени снижает отрицательное действие высокой температуры как на всхожесть семян, так и на темпы роста проростков, проявляя тем самым защитную функцию. Обсуждая вопрос о

возможном механизме действия

гипертермии, можно сделать ряд предположений.

По данным некоторых

исследований [28], у проращиваемых семян при действии высокой температуры происходит повышение проницаемости мембран и экзосмоса веществ в окружающую среду. Фитогормоны же, стабилизируя мембраны клеток семян, понижают выход веществ. Стабилизация мембран заключается в резком увеличении ненасыщенных жирных кислот (линолевой и линоленовой), в то время как содержание насыщенных жирных кислот остаётся почти неизменным. В результате повышается индекс

ненасыщенности, что предотвращает фазовый переход липидов мембран из жидкокристаллического состояния в твёрдый гель и благодаря чему мембраны остаются функционально активными. Фитогормоны, и в частности БАП и ИУК, влияют и на активность связанных с мембранами ферментов, например, на транспортные АТФ-азы [12, 20].

Таким образом, защитный эффект фитогормонов при воздействии высокой температуры проявляется, прежде всего, через их влияние на состояние мембранного аппарата клетки [12, 20]. Электронно-

микроскопические исследования показывают, что, например, цитокинины задерживают

деградацию различных мембранных структур в клетках листа, включая ламеллы стром и гран хлоропластов, мембранные структуры митохондрий и эндоплазматический ретикулум [20].

Тормозящее действие высокой температуры на ростовые процессы может быть и следствием ингибирования на ранних стадиях

Примечания

прорастания семян синтеза белка и мРНК [8, 10, 14, 20].

По предположению Гумилевской [10], критическим для прорастания семян является не абсолютный уровень синтеза белка, а экспрессия определенных генов, то есть синтез специфических белков, в том числе и ферментов, участвующих на начальных этапах прорастания, то

есть в период набухания -

прокпевывания, в мобилизации

запасных веществ семян и, в

частности, запасных белков и крахмала. К таким ферментам относятся протеазы, вызывающие протеолиз запасных белков, и Е-

амилазы, участвующие в гидролизе крахмала. Подавление активности и синтеза этих ферментов вследствие ингибирования их мРНК [10, 19] может быть одной из причин негативного действия теплового шока на прорастание семян и ростовые

процессы проростков.

По мнению Обручевой [18], активный гидролиз крахмала и белка в семенах требуется для накопления осмотически активных метаболитов, повышения осмотического потенциала и формирования вакуолярной

системы, которые необходимы для перехода клеток к росту растяжением при прорастании.

Таким образом, так как в

регуляции активности и синтеза протеолитических ферментов и Е-амилазы участвуют ауксины, гиббереллины и цитокинины [2, 12, 15, 24], то, следовательно, основной причиной ингибирования

прорастания семян и дальнейшего роста проростков при

высокотемпературном их набухании является уменьшение количества фитогормонов - стимуляторов роста.

1. Акимова Т.В., Титов А.Ф., Топчиева А.В. Эффекты АБК и БАП на теплоустойчивость клеток листьев огурца и ячменя при высоких закаливающих и повреждающих температурах. Адаптация, рост и развитие растений. Под ред. С. Н. Дроздова, А. Ф. Титова. Петрозаводск: Кар. НЦ РАН, 1994. С. 36-45.

2. Арцруни И.Г., Паносян Г.А. £-амилазная активность алейроновых слоев хронологически старых и молодых семян пшеницы при прорастании и гормональном воздействии. Физиология растений, 1984, Т. 31, Вып.1. С. 32-39. 3. Борисова ТА., Бугадже СМ., Мешкова Н.В., Власов П.В. Тепловой шок повышает устойчивость к УФ-облучению 1. Рост, развитие и водообеспеченность тканей. Физиология растений, 2001. Т. 48. № 4. С. 589-595. 4. Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р., Мустафина А.Р., Вальке Р. Динамика содержания эндогенных цитокининов в побегах трансгенных и трансформированных проростков табака под влиянием теплового шока. Физиология растений. 1995. Т. 42. № 5. С. 696-699. 5. Веселов О.П., Олюнина Л.Н., Куватова А.Г., Лобов Б.В. Быстрый «всплеск» ИУК при тепловом шоке растений. Тез. докл. межд. конф. «Физиология растений - наука III тысячелетия» (Москва, 4-9 окт. 1999). М. : ИФРРАН, 1999. Т. 1. С. 333. 6. Веселов А.П., Лобов В.П., Олюнина С.Н. Изменение в содержании фитогормонов в ответной реакции растений при тепловом шоке и в период его последействия. Физиология растений. 1998. Т.45. С. 709-715. 7. Волкова Р.И., Критенко СП., Титов А.Ф. Влияние циклогексимида и хлора мфен и кола на активность эндогенных ауксинов и ингибиторов роста при тепловой закалке растений. Физиология растений, 1989. Т. 36. С. 187-195. 8. Генкель П.А. Физиология жаро- и засухоустойчивости растений. - М. : Наука, 1982. 9. Григорюк И.А., Нижник Т.П., Курчий Б.А. Регуляция содержания абсцизовой кислоты в листьях картофеля и помидоров полистимулином К, полистимулином А-6 и эмистимом в условиях засухи. Физиология и биохимия культ, растений. 2001. Т. 33. С. 241-244. 10. Гумилевская НА., Арабова Л.И., Чумикина Л.В., Шатилов В.Р. Действие повышенных температур на семена гороха в период прорастания. Физиология растений, 1997. Т. 44. № 5. С. 690-698. 11. Ефремов Д.П., Каравайко

Н.Н., Кулаева О.Н. Влияние теплового шока на рост проростков ячменя и содержание в них фитогормонов. Докл. РАН. 1992. Т. 323. 12. Кулаева О.Н. Цитокинины, их структура и функции. М. : Наука, 1973. 13. Кефели В.И. Природные ингибиторы роста и фитогормоны. М. : Наука, 1974. 14. Любарская Н Г., ЛихолатТ.В. Влияние цитокинина и гиббереллина на прорастание семян пшенично-пырейного гибрида при неблагоприятных условиях. Физиология растений, 1881. Т. 28. Вып. 4. С. 834-840. 15. Муромцев Г.С., Агнистикова В.Н. Гормоны растений гиббереллины. М. : Наука, 1973. 16. Мусатенко Л.И., Венедичева Н.Р., Васюк В.А., Генералова В.Н., Мартын Г.И., Сытник К.М. Комплекс фитогормонов в проростках различных по устойчивости к повышенным температурам гибридов кукурузы. Физиология растений, 2003. Т.50. № 4. С. 499-504. 17. Мусиенко Н.Н., Даскалюк Т.М., Капля А.В. Ростовая реакция проростков пшеницы на действие высоких температур. Физиология растений. 1986. Т. 33. Вып. 1. С. 134. 18. Обручева Н.В. Физиология прорастания семян и прикладные аспекты. Душанбе: ДОНИИ, 1990. С. 107-119. 19. Плотников В.К., Киль В.И., Бибишев

B.А., Новиков Б.Н. Влияние теплового шока на белоксинтезирующий аппарат зерна обычной и ОПАК -

2 кукурузы. Физиология растений, 1990. Т. 37. Вып. 2. С. 302-306. 20. Полевой В.В. Фитогормоны. Л.

Изд-во ЛГУ, 1982. 21. Пустовойтова Т.Н., Баврина Т.В., Жданова Н.Е. Особенности

засухоустойчивости трансгенных растений табака с генами 1ааМ и 1ааН биосинтеза ауксина. Физиология растений, 2000. Т. 47. № 3. С. 431-436. 22. Таланова В.В., Титов А.Ф. Действие экзогенных гормонов и ингибиторов синтеза белка при повреждающих растения томатов низких и высоких температурах. Физиология и биохимия культ, растений. 1989. Т. 36 С. 187-195. 23.

Таланова В.В., Кудоярова Г.Р., Титов А.Ф. Динамика содержания абсцизовой и индолилуксусной кислот в листьях растений огурца при тепловой адаптации. Физиология и биохимия культ, растений. 1990. Т. 22. С. 153-157. 24. Туманьян Н.Г., Проскуряков М.Т. Активность и свойства

протеолитических ферментов в прорастающих семенах риса. Физиология растений, 1989. Т. 36. Вып. 3. С. 520-525. 25. Bergmann Н„ Lippman В., Leinhos V., TiroKe S., Machellet В. Activation of Stress Resistance in Plants and Consequences for Product Quality. Y.Appl. Bot. 1999. V. 37. P. 153-161. 26. Bewley J.D., В1аск M. Physiology and Biochemistry of Seed, 2. Viability, Dormancy and Environmental Control. Berlin: Heidelberg; N.Y.: Springer, 1982. V. 2. P. 375. 27. Gray W.M., Ostin A., Goran S., Romano

C.P., Estelle M. High Temperature Promotes Auxin-Mediated Hypocotyerye Elongation in Arabidopsis. Proc. Nate. Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. P. 7197-7202. 28. Leopoled A.C., Baskin C.C. Accelerated aging techniques for predicting the relative storability of seed lots. Seeds Sci Technol., 1975. V.1. № 3. P.427. 29. Riley V.Y.P. Effects of High Temperature on Protein Synthesis during Germination of Maize (Zea mays L). Planta. 1981. V. 151, № 1. P. 75-81.

Статья поступила в редакцию 10.08.2008 г.