Анализ влияния ацетона на поверхностное строение семенной кожуры гледичии трехколючковой (Gleditsia triacanthos)

УДК 58.04

Е. Э. Нефедьева, Е. В. Булгакова АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ АЦЕТОНА НА ПОВЕРХНОСТНОЕ СТРОЕНИЕ СЕМЕННОЙ КОЖУРЫ ГЛЕДИЧИИ ТРЕХКОЛЮЧКОВОЙ

Ключевые слова: гледичия трехколючковая, твердосемянность, семенная кожура.

Изучено действие ацетона на прорастание семян гледичии трехколючковой (Gleditsia triacanthos). Обнаружено, что предпосевная обработка семян ацетоном оказывают стимулирующее влияние на прорастание семян гледичии за счет частичного растворения суберина в нем. Результаты исследования подтвердили предположения о частичном растворении гидрофобных веществ суберина в ацетоне.

Keywords: honey locust, hard seeds, testa.

The influence of acetone on the germination of honey locust seeds (Gleditsia triacanthos) was investigated. It was found that pre-sowing treatment of seeds by acetone stimulated germination of honey locust seeds due to the partial dissolution of suberin. Results of the investigation confirmed the assumption that suberin was dissolved by acetone.

Введение

Явление твердосемянности рассматривается многими учеными как особый вид покоя, при котором подавляются основные ростовые процессы, а также проникновение воды в семя. Причина твердосемянности - опробковение сосудисто-волокнистых пучков семенного рубчика, а также уплотнение палисадного слоя семенной оболочки [1].

В регуляции водного и теплового режима растений участвуют ткани, стенки клеток которых пропитаны суберином [2]. Суберин откладывается на внутреннюю стенку клеточной оболочки, благодаря чему происходит опробковение. Также одной из важных защитных реакций клеточной стенки является усиление ее лигнификации [3]. Это повышает механическую прочность семенных оболочек, что ограничивает пагубное воздействие и распространение грибов, бактерий или вирусов. Кроме того, поверхность эпи-дермальных клеток растений защищена гидрофобными веществами - кутином и восками, которые также участвуют в регуляции водного режима тканей и защищают клетки от повреждений [2].

Основным фактором, выводящим твердые семена из состояния физического покоя, являются сильные колебания температуры и повышение влажности воздуха [4]. На практике для увеличения всхожести семян плотные покровы разрушают, используя различные агротехнические приемы, такие как скарификация, стратификация, обработка кипятком [5, 6] и т.д. Так, например, в качестве стимуляторов, ускоряющих прорастание семян, используются фосфорорганические соединения - биопрепараты Гуанибифос-Ф и Этафос-Ф [7], Аммофос-Ф [8], рассол природного минерала бишофита сульфатного типа [9, 10], водный раствор селената натрия [11, 12], натриевые соли алкилароматических сульфо-кислот [13], парааминобензойная кислота в смеси с другими веществами: гуматом калия и цеолитосо-держащей глиной - ирлитом [14] и др. Известны способы физического воздействия на семена, такие как импульсное давление [15], ВЧ плазменная обработка [16], ударно-волновое нагружение [17].

Покой семян, связанный со свойствами оболочек, особенно характерен для семян растений семейства Caesalpinieae, к которому относится гледичия трехколючковая. Семена гледичии покрыты твердой, водонепроницаемой оболочкой, сверху имеется восковой налет.

Большинству видов подсемейства

Caesalpinioideae, к которому относится гледичия, и видам подсемейства Mimosoideae свойствен следующий тип семенной кожуры. Семенная кожура состоит из эпидермы (экзотесты) - деривата наружной эпидермы интегумента, гиподермы -деривата субэпидермы интегумента, паренхимы (мезотесты); часто присутствует внутренняя эпидерма - дериват внутренней эпидермы интегумента (эндотеста) и внутренняя гиподерма -дериват внутреннего слоя интегументальной паренхимы, прилегающая к внутренней эпидерме интегумента (рис. 1). Толщина семенной кожуры 803000 мкм [18].

Эпидерма -

Гиподерма -

Паренхима -

Рис. 1 - Семенная кожура I I типа структуры (Caesalpinia НпС:опа), поперечный срез латеральной стороны семени [18]

Эпидерма состоит из двух рядов клеток, а иногда и из трех (виды родов Gleditsia, Prosopis и др.). Эти ряды могут разъединяться легко или при действии мацерирующих жидкостей. Граница между двумя рядами клеток видна в виде светлой линии, которая образована периклинальными стенками двух смежных рядов клеток эпидермы. Ширина клеток наружного и внутреннего рядов одинакова, и они расположены точно друг над другом. Между ними часто имеются перфорации. По форме клетки эпидермы призматические, вытянутые в радиальном

направлении, плотно сомкнуты, однако у некоторых видов местами отходят друг от друга, образуя щель. Содержимое клеток темного цвета. Кутикула часто имеет скульптурный рисунок (виды родов Gleditsia и др.). Устьиц нет. Толщина эпидермы 40-313 мкм (9-55% от толщины семенной кожуры) [18].

Гиподерма у большинства видов многорядная, постепенно переходящая в паренхиму. Клетки толстостенные, форма их гантелевидная или расширен только один конец. Клетки гиподермы контактируют расширенными концами, в результате возникают большие межклетники. Толщина гиподермы 4-60 мкм (2-15% от толщины семенной кожуры) [18].

Паренхима многорядная. Клетки округлые, с межклетниками. Полости клеток заполнены темным содержимым. Толщина паренхимы 15-2600 мкм (1489% от толщины семенной кожуры).

В области рубчика семенная кожура состоит из эпидермы и паренхимы, гиподермы нет. Клетки паренхимы в субэпидермальной зоне более мелкие, а иногда и более толстостенные, чем расположенные ниже. Полости заполнены темным содержимым. Межклетники, как правило, небольшие. Через центр рубчика в семенную кожуру входит проводящий пучок. Площадь поверхности рубчика 0.01-0.76 мм2 [18].

Экспериментальная часть

Материалом исследований служили семена гледичии трехколючковой (Gleditsia triacanthos), имеющие твердую кожуру. Плоды гледичии собрали вручную в городских посадках.

Для изучения явления твердосемянности была исследована семенная кожура гледичии с помощью электронного сканирующего микроскопа «FEI Versa 3D LoVac». Элементный анализ был проведен с помощью сканирующего электронного микроскопа с энергодисперсионным детектором EDAX Apollo X для микрорентгеноспектрального анализа. Кожуру исследовали в нативном состоянии, а также после замачивания.

Кроме того, семена обрабатывали ацетоном, так как в состав оболочки семян с твердым покровом входят кутин и суберин, гидрофобные вещества, обязательным компонентом которых являются насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, жирные спирты и жиры [17]. Предполагается, что суберин частично растворяется в ацетоне, вследствие чего увеличивается проницаемость оболочки семян для воды. Ацетон, оставшийся после обработки семян, исследовали методом ВЭЖХ.

Хроматографические условия:

Хроматограф - Waters 2696; колонка - LUNA 5u C8(2), 250x4,60 mm; элюент - 70% ацетонитрил; расход элюента - 0,8 мл/мин; детектор - Waters 996 PDA Detector; объем вводимой пробы - 5,0 мкл; длинна волны - 230 нм.

Целью работы было исследование строения семенной кожуры гледичии и некоторых изменений в ее структуре при набухании и обработке ацетоном.

Обсуждение результатов

В результате исследования, а также при детальном изучении микрофотографий семян гледичии, были выявлены некоторые закономерности, отражающие влияние замачивания семян в воде и обработки химическим раствором.

При замачивании семян гледичии в воде (контроль) отмечались неглубокие четкие трещины (рис.2). Это свидетельствует о том, что в ходе простого замачивания семенная оболочка подвергается разрушению, однако оно незначительно. Следовательно, наиболее распространенный метод имеет низкую эффективность.

Рис. 2 - Семенная кожура гледичии

При замачивании семян на 2 час в ацетоне было отмечено более сильное воздействие на кожуру в сравнении с контрольными образцами. Об этом свидетельствуют трещины большего размера на поверхности семени. Доля разрушения твердых семенных покровов возросла (рис. 3). Однако края трещин наблюдались не четкими, что свидетельствовало о неполном растворении суберина в ацетоне.

С помощью сканирующего электронного микроскопа с энергодисперсионным детектором EDAX Apollo X для микрорентгеноспектрального анализа был выявлен следующий элементный состав семян (таблица 1) [19]. При сравнении полученных результатов обнаружилось, что при обработке семян в течение 2 час ацетоном происходит значительное вымывание восков и разрушение кутикулы, поэтому количество Mg, K, Ca стало большим, чем в контрольных анализах. Эти элементы обнаруживаются в частях клетки, прилежащих снаружи к цитоплаз-магической мембране. Но, стоит отметить, что высокое содержание углерода и кислорода не позволяет нам судить о полном преодолении толстой оболочки семенной кожуры. Первичная оболочка клеток содержит значительное количество целлюлозы, в которой соотношение углерода к кислороду составляет 6 к 5 (или 1,2 к 1). Вторичные и третичные стенки содер-

жат лигнин, воск, кутин и др. соединения, для которых характерно уменьшение содержания кислорода

и повышение доли углерода и водорода.

Рис. 3 - Семенная кожура гледичии при замачивании на 2 час в ацетоне Таблица 1 - Элементный состав семян гледичии

Вариант Элемент

С О № Mg К Са

Гледичия контроль 58,095±2,694 29,783±2,15 1,966±2,02 0,563±0,492 2,62±2,371 3,09±3,174

Гледичия, замоченная на 2 час в ацет. 56,25±4,31 27,75±9,46 1,12±8,02 2,75±10,96 5,07±7,63

Гледичия, замоченная на 24 час в воде 60,645±1,223 32,195±0,374 0,65±0,028 0,695±0,021 3,08±2,220 1,84±0,89

Также провели исследование ацетоновой вытяжки, полученной при обработке семян, методом ВЭЖХ.

Рис. 4 - Хроматограмма чистого ацетона

Рис. 5 - Хроматограмма ацетоновой вытяжки, полученной при обработке семян гледичии

На хроматограмме ацетоновой вытяжки, полученной при обработке семян гледичии ацетоном, видны неидентифицируемые примеси, которых не было обнаружено в чистом ацетоне (рис. 4-5), что еще раз подтверждает предположение о частичном растворении гидрофобных веществ суберина в ацетоне.

Выводы

Таким образом, исходя из результатов исследования, наилучшим способом преодоления твердосе-мянности семенной кожуры гледичии является двухчасовая обработка семян ацетоном. На поверхности семени наблюдали значительное увеличение трещин, а их края стали не такими четкими.

Элементный состав семени также свидетельствует о частичном разрушение семенной оболочки при 2-х часовой обработке семени ацетоном.

Исследование ацетоновой вытяжки, полученной при обработке семян, методом ВЭЖХ показало наличие в ацетоне неидентифицируемых примесей, которых не было обнаружено в чистом ацетоне.

Литература

1. М.Г. Николаева, М.В. Разумова, В.Н. Гладкова, Справочник по проращиванию покоящихся семян. Наука, Ленинград, 1985. 348с.

2. В.В. Полевой, Физиология растений. Учебник для биологических специальностей ВУЗов. Высшая школа, Москва, 1989. 464 с.

3. Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко, Физиология растений. Владос, Москва, 2004. 463 с.

4. Т.Г. Хадеев, М.Ш. Лапина, Защита и карантин растений, 6, 26 (2012).

5. Н.М. Воронкова, А.Б. Холина, Растительные ресурсы, 39, 1, 43-48 (2003).

6. С. Оразбаев, Б. Салакшинова, Г. Мендибаева, К.Алипбеков, Международный научно-исследовательский журнал, 19, 12-2, 14-16 (2013).

7. Е.Э. Нефедьева, К.В. Отрошенко, Е.В. Байбакова, Т.П. Барамыкова, С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 20, 5, 143-146 (2017).

8. М.А. Голованова, Е.Э. Нефедьева, Е.В. Байбакова, С.В. Фридланд, Т.П. Павлова, О.С. Рощина Вестник Казанского технологического университета, 19, 11, 194198 (2016).

9. Патент на изобретение РФ 2328854 (2005).

10. Патент на изобретение РФ 2174746 (2000).

11. Патент на изобретение РФ 2183394 (2000).

12. Патент на изобретение РФ 2416186 (2009).

13. Патент на изобретение РФ 2058699 (1992).

14. Патент на изобретение РФ 2461185(2011).

15. В.А. Павлова, В.И. Лысак, Е.Э. Нефедьева, Е.В. Булгакова, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 10, 79-84 (2015).

16. И.Ш. Абдуллин, Ф.С. Шарифуллин, Р.Р. Галиуллин, С.Ю. Грузкова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 164-167 (2014).

17. Е.В. Булгакова, Е.Э. Нефедьева, В.А. Павлова, Современные проблемы науки и образования : электрон. науч. журнал, 6, 1-6 (2014).

18. Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Эчлин, Д. Джой, Ч. Фиори, Э. М. Лифшин, Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Мир, Москва, 1984. 348с.

© Е. Э. Нефедьева - д.б.н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского государственного технического университета, nefedieva@rambler.com; Е. В. Булгакова - аспирантка кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского государственного технического университета.

© E. E. Nefedieva - Ph.D, full professor, department "Industrial ecology and Life safety", Volgograd State Technical University, nefedieva@rambler.com, E. V. Bulgakova - Post-graduate student of Department of Industrial Ecology and Safety, Volgograd State Technical University.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.05.17. по 05.06.17.