Анатомо-морфологические и физиологические адаптации растений к осмотическому стрессу
Белова Т.А.*, Нагорная О.В.**
*Курский государственный университет
**Курская государственная сельскохозяйственная академия
Аннотация
В статье отражены особенности анатомо-морфологических и физиологических адаптаций растений Triticum aestivum L. к осмотическому стрессу и явления, характеризующие изменение структур в сторону ксероморфности. Показано, что соотношение солей в почвенном субстрате является для растений определенным формообразующим фактором, и вызванные экспериментально резкие физиологические изменения под действием хлористых солей не являются необратимыми, возможна их коррекция использованием антистрессовых адаптогенов.
Ключевые слова: ПШЕНИЦА МЯГКАЯ, ОСМОТИЧЕСКИЙ СТРЕСС, МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, КСЕРОМОРФНОСТЬ, САЛИЦИЛОВАЯ КИСЛОТА
Для оптимального роста и развития растений необходима сбалансированность элементов минерального питания. Однако содержание химических элементов в почве непостоянно и может изменяться под влиянием внешнесредовых факторов. Минеральные соли могут оказываться в почвенном субстрате в дефиците или, наоборот, накапливаться до токсического уровня. Избыточное содержание солей, наряду с засухой и экстремальными температурами, является одним из важных абиотических факторов внешней среды, которые негативно сказываются на росте растений и приводят к снижению биоразнообразия. Повышенный осмотический потенциал почвенного раствора является одним из лимитирующих факторов, который распространен на очень больших территориях в нашей стране и в мире. На все культивируемые виды данный фактор оказывает отрицательное влияние, и степень его тем больше, чем выше уровень засоления. Скопление даже безвредных солей в корнеобитаемом слое почвы повышает осмотическое давление почвенного раствора, что затрудняет водоснабжение растений [1, 2]. При этом некоторые соли могут действовать на растения как специфические яды, что проявляется в ухудшении многих свойств и функций растений, изменении морфологического облика и модификации анатомических структур.
В условиях солевого стресса нарушается водный статус и ионный гомеостаз, замедляется рост растений и снижается продуктивность сельскохозяйственных культур. В связи с этим изучение степени изменения анатомо-морфологических структур и обратимости этих изменений в случае использования приемов, повышающих солеустойчивость растений, имеет большое практическое значение для получения устойчивого урожая на почвах с избыточным содержание тех или иных солей.
Тип засоления зависит от содержания в почве анионов и определяется составом солей. В зависимости от типа засоления почвенного субстрата модифицируется структура органов растения, и появляются изменения, обеспечивающие выживание в дефиците водообеспечения [3]. У растений наблюдается сокращение листовой поверхности, снижение осевого роста, изменение числа и размеров устьиц. Накопление ионов происходит в различных органах растения: натрий и сульфат-ион - во всех органах, за исключением конуса нарастания стебля, ионы хлора - в стеблях и листьях.
Самое токсичное для растений - это хлоридное засоление, натрий в таких почвах является преобладающим катионом. Степень повреждающего действия засоления и причины снижения продуктивности растений, а также возможные пути повышения адаптаций растений к росту и развития в данных условиях могут быть раскрыты благодаря изучению физиологических механизмов солеустойчивости и анатомо-морфологических изменений, происходящих в растительном организме под воздействием солевого стресса.
Изменение морфометрических показателей растений в некотором роде может служить диагностическим признаком, указывающим на повышение осмотического потенциала почвенного раствора. Поэтому важно рассмотреть, какими приспособительными механизмами обладают растения для выживания в неблагоприятных условиях минерального питания, и какие проявления имеют данные адаптации в морфоструктуре побега.
Среди возделываемых сельскохозяйственных растений нет галофитов, и большинство важнейших культур чувствительны к действию засоления [4]. Наименьшей относительной устойчивостью к неблагоприятному воздействию токсичных солей обладают растения пшеницы, что делает их удобным модельным растением для изучения приспособительных механизмов, обеспечивающих рост и развитие.
Изменению анатомии и морфологии растений предшествуют сдвиги в физиологических и биохимических процессах. Натрий-хлоридное засоление способствует созданию в почве резко отрицательного водного потенциала, что затрудняет поступление воды в растение. Высокая концентрация солей приводит к повреждению мембранных структур, в первую очередь, плазмалеммы, вследствие чего ее проницаемость резко возрастает, и теряется способность к избирательному накоплению веществ. В этом случае поступление солей в клетки происходит пассивно вместе с транспирационным током воды [5]. Большая концентрация натрия на засоленных почвах создает препятствия для накопления других катионов, в том числе калия и кальция, таких необходимых для жизни растения. Данные изменения провоцируют нарушения процессов обмена: под влиянием солей в растениях накапливаются аммиак и другие ядовитые продукты, нарушается азотный обмен [6]. Повышенная концентрация хлористых солей действует как разобщитель процессов окисления и фосфорилирования и нарушает снабжение растений макроэргическими фосфорными соединениями. Эти изменения начинаются от прорастания семян и заканчиваются на поздних этапах развития растений.
Негативное действие высоких концентраций солей раньше всего сказывается на корневой системе растений. В первую очередь, в корнях страдают клетки, непосредственно соприкасающиеся с раствором соли. В надземной части побега действию солей наиболее подвержены клетки проводящей системы, по которым происходит передвижение солевого раствора к листьям, верхушке стебля и генеративным органам.
Суммарным отражением всех указанных выше первичных физиологических нарушений и вторичных отклонений являются интегрирующие изменения, происходящие в анатомической структуре растений, а, следовательно, и изменение их морфологического облика.
Для изучения возможности обратимости данных процессов и структурных изменений на модельном растительном объекте использовались приемы повышения солеустойчивости с использованием соединений, повышающих сопротивляемость растений в экстремальных ситуациях за счет мобилизации естественных защитных механизмов. Примерами таких соединений служат антитранспиранты, пролин, салициловая кислота [7, 8], которые оказывают влияние на процессы модификации и осморегуляции транспортных процессов [9, 10].
В основе устойчивости растений к избытку минеральных солей лежат физиологические механизмы, запускающие такие реакции обмена веществ, которые способны нейтрализовать неблагоприятное действие солей. Это связано с окислительным разрушением токсичных соединений и их производных, а также накоплением веществ, оказывающих защитное влияние и регулирующих осмотические свойства клеток. Иной тип приспособлений связан с изменением функций мембран, регулирующих транспорт ионов в клетку из окружающей среды [9]. Осмотический актив создается в них за счет продуктов ассимиляции.
Целью данной работы является обнаружение и изучение анатомо-морфологических и физиологических реакций растений на воздействие повреждающих факторов солевого стресса и формирования ответных морфофизиологических реакций растительных организмов, составляющих основу устойчивости к условиям повышенного осмотического состояния почвенной среды в условиях предпосевной обработки салициловой кислотой модельных растений Triticum aestivum L.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили на растениях Triticum aestivum L. в лабораторных условиях. Перед посевом семена стерилизовались слабым раствором марганцевокислого калия с дальнейшим промыванием дистиллированной водой. Посев проводили в вегетационные сосуды, заполненные универсальным почвенным субстратом.
Растения опытных вариантов выращивались на фоне 1%-ого раствора NaCl. С целью повышения солеустойчивости проводили предпосевную обработку семян салициловой кислотой: семена замачивали в растворе салициловой кислоты в течение трёх часов. Анализ литературных источников показал [7, 9], что в наибольшей степени защитный эффект салициловой кислоты выражен в концентрации 5·10-5 моль/л, что явилось обоснованием для применения данной концентрация в представляемом опыте.
Основной задачей являлся анализ анатомо-морфологических и физиологических показателей растений, произрастающих в условиях засоления и на фоне фактора солевой закалки салициловой кислотой. Все измерения и учеты проводили с первых этапов прорастания семян. В ходе исследования определялись показатели роста растений (площадь листьев, высота растений, масса сухая и сырая), исследовалась анатомическая структура клеток мезофилла листа с целью оценки их осмотических свойств, особенности строения устьичного аппарата и связанная с ним интенсивность транспирации, фотосинтетическая деятельность листьев, отражающаяся в количественном и качественном содержании пигментов. Устьичный аппарат анализировали с использованием метода фиксации эпидермы в абсолютном спирте и метода отпечатков, размер устьиц определяли с помощью окуляр-микрометра. Содержание пигментов определяли на спектрофотометре в четырех аналитических повторностях: пигменты экстрагировали 96% этанолом. Интенсивность транспирации изучали весовым методом с помощью торсионных весов.
Результаты и их обсуждение
Действие минеральных солей на растение начинается с момента их проникновения в набухающие семена. В условиях хлоридного засоления количество поступающего в семена хлора в начальные этапы незначительно и не превышает тех объемов, которые могут поступать путем пассивной диффузии [11]. С появлением проростов и возрастанием интенсивности обмена веществ скорость поступления хлора в семена резко увеличивается. Результатом данного воздействия явилось снижение показателей всхожести семян на 27,3%
Тормозящее влияние натрия и хлора было нивелировано на первых же этапах развития действием салициловой кислоты. Салициловая кислота (2-гидроксибензойная) - это эндогенное соединение фенольной природы, встречается в природе в эфирном масле некоторых видов спиреи и в виде производных в коре ивы [12]. Показано действие салициловой кислоты как регулятора роста растений, обеспечивающего развитие неспецифической реакции на стрессогенные факторы и накопление в клетках активных форм кислорода.
В настоящее время получены многочисленные результаты, убедительно свидетельствующие в пользу вовлечения салициловой кислоты в индукцию и развитие приобретенной устойчивости [3, 9]. Она способна индуцировать системную устойчивость растений к разнообразным по природе абиотическим стрессорам и возбудителям болезней. Салициловая кислота -- это стимулятор роста, который выполняет в растении разнообразные физиологические функции: является антагонистом АБК в регуляции движения устьиц, естественным ингибитором поступления ионов в корни и других физиологических процессов [13]. Данная информация позволяет рассматривать салициловую кислоту как перспективное для практического использования соединение с целью защиты растений от широкого спектра стрессовых воздействий.
Изменения показателей роста и развития растений под влиянием салициловой кислоты в условиях засоления среды были выявлены уже на этапе прорастания семян. Обработка семян пшеницы в растворе салициловой кислоты в концентрации 5·10-5 моль/л приводила к синхронизации процесса прорастания и всхожести (до 82,8%). Защитный эффект салициловой кислоты при этом проявлялся в изменении физиологических процессов у растений и анатомической структуры.
Анатомическое исследование образцов растений, выращенных в условиях повышенного осмотического потенциала почвенного раствора, указывало на увеличение числа клеток со сгустившейся цитоплазмой и снижение количества крупных вакуолизированных клеток. Это свидетельствует развитии процесса плазмолиза, то есть отделение протопласта от клеточной стенки в условиях гипертонического раствора, что, в первую очередь, и тормозило процесс прорастания семян. Применение салициловой кислоты нивелировало отрицательные изменения и приближало физиологическое состояние клеток к уровню контроля, что отразилось на всхожести семян и её повышении на 15,5% (рис. 1).
Причина данных явлений - в возникновении осмотического тока воды из клеток семян в гипертоническом почвенном растворе NaCl. При этом, в основном, выходит слабосвязанная вода, и объем вакуоли уменьшается, давление ее на протопласт падает, тургесцентность клеток снижается. В процессе плазмолиза происходит потеря протопластом воды, уменьшение в размерах и его отхождение от клеточной стенки. Это приводит к разобщению плазмодесм - цитоплазматических нитей, обеспечивающих передачу раздражений и передвижение веществ от клетки к клетке, и, как следствие, нарушению межклеточных связей. Именно поэтому прекращается поступление питательных веществ в клетки, что становится одной из основных причин замедления роста растений.