WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ (Zea mays L.) ПОД ДЕЙСТИВИЕМ АУКСИНА И ЦИТОКИНИНА ...»

На правах рукописи

КАЛИНИНА Екатерина Андреевна

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В

ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ (Zea mays L.)

ПОД ДЕЙСТИВИЕМ АУКСИНА И ЦИТОКИНИНА

03.01.05 – Физиология и биохимия растений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре агрономии Федерального государственного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет»

(ФГОУ ВПО «КГТУ»)

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Роньжина Елена Степановна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Кондратьев Михаил Николаевич кандидат биологических наук Кондратьева Вера Валентиновна

Ведущая организация: государственное Федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодский государственный педагогический университет»

Защита диссертации состоится « 19» января 2010 г. в «14.00» часов на заседании Диссертационного Совета Д 220.043.08 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева» (ФГОУ ВПО «РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева») по адресу: 127550 г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; т.

8(495)976-04-80; факс:

8(495)976-29-10; e-mail: info@timacad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «РГАУМСХА имени К.А. Тимирязева»

Автореферат разослан « » декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Белопухов С. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема пищевых ресурсов человечества может быть успешно решена только путем интенсификации растениеводства и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Одним из эффективных приемов управления физиолого-биохимическими процессами, в том числе ответственными за продуктивность растений, является применение фиторегуляторов. Среди них особое место занимают фитогормоны и их синтетические аналоги. Именно гормональная регуляция является наиболее эффективной системой управления жизнедеятельностью растений (Полевой, 1986; Тарчевский, 2002). Весьма перспективными с точки зрения продуктивности растений являются препараты с ауксиновой и цитокининовой активностью. Показано, что ауксины и цитокинины влияют на целый комплекс физиологических и биохимических программ, оказывая существенные положительные эффекты на важнейшие процессы, протекающие в растительном организме (Кулаева, 1973, Соколова, 1986; Основы химической регуляции, 1987; Борзенкова и др., 1988).

В последние годы благодаря мощному прорыву в исследовании гормональной системы регуляции у растений стали относительно понятны молекулярные механизмы рецепции и трансдукции гормонального сигнала в растительной клетке (Kakimoto, 2001; Takei et al., 2001, 2004; Романов, 2009 и др.).

Однако роль фитогормонов как регуляторов роста, развития и функционирования интактного растения пока исследована недостаточно.





Также практически не проведено сопоставления характера многих интегральных эффектов фитогормонов для растений разных систематических групп, в частности, однодольных и двудольных. Например, для однодольных растений показано стимулируемое ауксином удлинение осевых надземных органов за счет активации растяжения клеток (Cocking, 1977; Полевой, 1989 и др.), для двудольных такая возможность остается недоказанной. В тоже время для травянистых двудольных растений известна активация цитокининами роста изолированных семядолей, листьев и их фрагментов (Miller, 1961; Кулаева, 1973, и др.), тогда как подобные эффекты для однодольных растений показаны лишь в единичных работах (De Boer, Feieraben, 1978; Чернядьев, Козловских, 1992; Kulaeva et аl., 1996). Хорошо известно положительное влияние цитокининов на фотосинтез (см., напр. Кулаева, 1973; Кузнецов, 1995; Чернядьев,1993, 2000), о роли ауксинов в регуляции этого процесса известно мало (Пузина и др., 2000 и др.).

Специфика молекулярных механизмов действия фитогормонов, их полифункциональность, а также влияние со стороны других органов в единой донорно-акцепторной системе зачастую вызывают сомнения в возможности эффективной регуляции физиолого-биохимических процессов в интактном растении. Однако подобное заключение можно сделать только после детального изучения влияние фитогормонов, прежде всего ауксинов и цитокининов, на такие интегральные процессы как рост, фотосинтез, дыхание, особенно в системе целого растения, что до настоящего времени не сделано.

Выяснение этих вопросов особенно важно для эффективного управления формировавнием урожая тех сельскохозяйственных культур, которые возделываются в условиях, отличающихся от оптимальных. В Калининградской области такой культурой является кукуруза. Высокая продуктивность этой культуры, определяющаяся С4-типом фотосинтеза и интенсивными ростовыми процессами, обусловила ее широкое использование в пищевых и кормовых целях. Однако недостаток ФАР, суммы эффективных температур и избыточное увлажнение почвы в критические периоды развития позволяют возделывать эту культуру в Калининградской области лишь на зеленую массу и силос с относительно невысокой урожайностью 13-18 т/га.

Вполне вероятно, что уменьшить действие этих неблагоприятных факторов на растения кукурузы и повысить ее продуктивность можно с помощью фиторегуляторов ауксиновой и цитокининовой природы.

Исходя из изложенного выше, целью работы явилось изучение действия ауксина (индолил-3-масляной кислоты - ИМК) и цитокинина (6бензиламинопурина - БАП) на интегральные физиологические характеристики рост, фотосинтетическую и дыхательную функцию вегетативных надземных органов в онтогенезе растений кукурузы.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Охарактеризовать действие ИМК и БАП на рост изолированных колеоптилей, а также стебля и листьев интактных растений кукурузы в онтогенезе.

2. Провести изучение ауксин- и цитокинин-зависимого роста на двух принципиально различных системах: исследуемой (колеоптили кукурузы) и модельной (листовые высечки тыквы). Для этого исследовать влияние ИМК и БАП на ряд физиологических характеристик исследуемых объектов (динамику роста, биоэлектрического тканевого потенциала (БЭП), рН среды инкубации, позволяющих сравнить механизмы действия этих фиторегуляторов.

3. Исследовать влияние ИМК и БАП на рост, мезоструктуру листа, интенсивность фотосинтеза и дыхания листьев кукурузы в системе целого растения.

4. Изучить действие ИМК и БАП на формирование урожая зеленой массы кукурузы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. ИМК и БАП в оптимальных концентрациях (10-5М и 10-4 М) активируют рост вегетативных надземных органов (изолированных колеоптилей, стебля и листьев интактных растений кукурузы).

2. Ауксин- и цитокинин-зависимый рост растяжением у изученных растительных объектов (изолированных колеоптилей кукурузы, листовых высечек тыквы) имеет близкий характер, вызывает сходные изменения БЭП и связан со снижением рН апопласта.

3. ИМК и БАП стимулируют формирование мезоструктуры листа (деление, рост клеток мезофилла, репликацию пластид, накопление фотосинтетических пигментов), активируют фотосинтетическую деятельность листьев интактных растений кукурузы.

4. ИМК и БАП стимулируют дыхательную активность листьев интактных растений кукурузы. Однако при этом отношение интенсивность фотосинтеза/интенсивность дыхания повышается.

5. Обработка растений ИМК и БАП увеличивает чистую продуктивность фотосинтеза и может приводить к повышению урожая зеленой массы кукурузы.

Научная новизна. Установлена возможность стимуляции фиторегуляторами ауксиновой и цитокининовой природы роста, развития и функционирования (фотосинтеза и дыхания) не только изолированных органов, но и интактных растений кукурузы. Проведено сравнительное изучение действия ИМК и БАП на эти процессы на разных этапах онтогенеза растений. Доказана принципиальная возможность стимуляции с помощью цитокининов роста растяжением клеток листа однодольного растения. Обнаружена стимуляция экзогенными как экзогенным ауксином, так и цитокинином фотосинтетической и дыхательной активности листьев, увеличение отношения фотосинтез/дыхание и чистой продуктивности фотосинтеза у интактных растений кукурузы. Выявлено сходство ауксин- и цитокинин-зависимого роста растяжением у различных растительных объектов (колеоптилей кукурузы, листовых высечек тыквы). Отмечено позитивное действие ИМК и БАП на величину урожая зеленой массы кукурузы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Работа расширяет и конкретизирует существующие в настоящее время представления о влиянии ауксинов и цитокининов на ростовые процессы, фотосинтетическую и дыхательную активность листьев интактных растений. Она создает основу для возможного управления формированием урожая зеленой массы кукурузы с помощью фиторегуляторов ауксиновой и цитокининовой природы. Результаты работы используются в учебном процессе в ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет» в лекционных курсах «Физиология растений» и «Инновационные технологии в АПК» для подготовки студентов сельскохозяйственных специальностей.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Калининградского государственного технического университета (Калининград, 2000); V съезде РОФР, Международной конференции «Физиология растений – основа фитобиотехнологии» (Пенза, 2003); VI съезде РОФР, Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007); IV Съезде Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Пущино, 2006); научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Москва, 2006); Международных конференциях: «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия» (Вологда, 2005); «Инновации в науке и образовании – 2006, 2007, 2009» (Калининград, 2006, 2007, 2009); «Sink – Sourсе Relationships in Plants» (Kaliningrad, 2007); научно-методическом семинаре «Биология растений в новом тысячелетии (Калининград, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследований, изложения полученных результатов, их обсуждения, выводов и списка использованной литературы (330 источников, в том числе 161 - на иностранных языках). Работа изложена на 158 страницах, содержит 34 рисунка, 6 таблиц.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основным объектом исследований явилась кукуруза (Zea mays L., гибрид СТК-189 МВ). Для изучения физиологических эффектов ауксинов и цитокининов на начальных этапах онтогенеза растений, а также анализа гормонзависимого роста проростков кукурузы использовали изолированные колеоптили. Дополнительно проводили сравнительное изучение гормон-зависимого роста на принципиально иных растительных объектах – листовых высечках тыквы (Cucurbita pepo L., сорт Мозолеевская столовая). Для экспериментов были выбраны ИМК и БАП, как высокоэффективные, наиболее стабильные фиторегуляторы с ауксиновой и цитокининовой активностью.

Исследуемые части опытных растений обрабатывали водными растворами ИМК и/или БАП, концентрации которых были подобраны в предварительных экспериментах, контрольных – дистиллированной водой. Размеры изолированных органов определяли на аппарате Микрофот-5-ПО1 (Россия), рН среды инкубации растительных тканей регистрировали на универсальном иономере (ТМ 6, Россия). Биоэлектрическую активность тканей оценивали по изменению БЭП, измеренного путем экстраклеточного отведения (Методы изучения мембран…, 1986). Площадь листовой пластинки (S) кукурузы определяли по линейным размерам: S = 0,65. (l. d), где l – длина, d – ширина; тыквы – весовым методом (Третьяков и др., 2003).

Для анализа действия ауксина и цитокинина на более поздних этапах онтогенеза кукурузы проводили полевые мелкоделяночные опыты на интактных растениях. Растения выращивали в открытом грунте с использованием основных элементов агротехники, принятой для этой культуры. Норма высева составляла 78 кг/га всхожих семян, количество взрослых растений - 100 тыс./га.

Учетная площадь делянки - 10 м2 (схема посадки – 2х5 м), повторность четырехкратная. Надземную часть опытных растений в фазы всходов, выбрасывания метелки и цветения початков опрыскивали водным раствором ИМК (10-5 М) или БАП (10-4 М) (концентрации подбирали предварительно). Динамику роста интактных растений в онтогенезе оценивали по изменению длины, толщины стебля, площади листа средней формации и суммарной площади листьев (ассимиляционного потенциала). Анализ мезоструктуры листа проведен по А.Т.

Мокроносову и Р.А. Борзенковой (1978) на мацерированном (35 мин, 2н HCl, 90°С) материале. Размеры клеток измеряли с помощью винтового окулярного микрометра МОВ-1-15х (Россия). УППЛ (сухую массу единицы площади листа) определяли путем высушивания листовых высечек определенной площади при температуре 1050 С (Третьяков и др., 2003). Содержание фотосинтетических пигментов анализировали по Веттштейну (Гавриленко и др., 1975) с использованием спектрофотометра «Specol-11» (Carl Zeiss, Германия). Интенсивность фотосинтеза и дыхания определяли бескамерным методом, основанным на регистрации увеличении содержания углерода органических веществ в листовых высечках на свету и учете его траты в темноте (Бородулина и др., 1985). Содержание органических веществ определяли методом мокрого сжигания в хромовой смеси по Х.К. Аликову с применением этого же спектрофотометра (Третьяков и др., 1990). Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) оценивали в фазу начала цветения початков по приросту сухой массы растений, отнесенному к площади листовой поверхности за учетный период (Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М., 1973). Урожай зеленой массы анализировали в течение 3-х вегетационных сезонов по общей биомассе надземной части растений в фазу молочно-восковой спелости, согласно ГОСТ 13634-90.

Биологическая повторность – 5-10 кратная, воспроизведение – 3-5-кратное.

Результаты обработаны статистически. В таблицах и на рисунках представлены средние арифметические значения, в таблицах дополнительно – доверительные интервалы, рассчитанные по стандартным отклонениям. Достоверность различий между вариантами оценивали с помощью дисперсионного анализа при Р = 0,95.

Ряд экспериментов (динамика роста изолированных органов, измерение БЭП, исследование свойств клеточных стенок) проводили в лаборатории функциональной активности мембран растительных клеток БИНИИ СпбГУ (г.

Санкт-Петербург) в рамках научного сотрудничества под руководством проф.

В.В. Полевого совместно с к.б.н. Е.И. Шаровой (БИНИИ СпбГУ) и Ю.В. Евтушевской (КГТУ).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе исследований изучили влияние ИМК (10-5М) и БАП (10М) на рост проростков кукурузы на начальных этапах онтогенеза. Подземное прорастание моделировали с использованием этиолированных проростков. При этом использовали две системы – изолированные отрезки 4-суточных этиолированных колеоптилей (15 мм) и аналогичные колеоптили с удаленной на 5 мм верхушкой. В последнем случае предполагали, что у декапитированных колеоптилей существенно снижено содержание эндогенных ауксинов. Отрезки колеоптилей погружали в растворы ИМК (10-5 М) и/или БАП (10-4 М) и измеряли их длину через 1, 5, 24 и 48 ч.

Обработка ИМК достоверно стимулировала рост колеоптилей в обоих вариантах уже к 5 ч опыта; к 24 ч реакция была наиболее выраженной – наблюдали увеличение длины на треть у декапитированных, и почти в 1,6 раза – у недекапитированных проростков (рис. 1). В последующие 24 ч (48 ч) изменения практически отсутствовали. БАП также стимулировал рост, за 24 ч увеличивая длину этиолированных декапитированных и недекапитированных колеоптилей в 1,3 и 1,4 раза соответственно (рис. 1).

Из проведенных экспериментов следует, что декапитация проростков тормозила их рост, а обработка ИМК и БАП – стимулировала его. Однако, фиторегуляторы интенсифицировали рост и недекапитированных растений.

Следующая серия экспериментов была проведенна с этиолированными освещенными проростками (имитация выхода растений на поверхность почвы).

Освещение этиолированных колеоптилей несколько затормаживало ростовые процессы в них. ИМК и БАП активировали рост колеоптилей рис.1). Обработка ИМК недекапитированных колеоптилей приводила к увеличению их длины в 2,4, декапитированных – в 2,1 раз за 24 ч. Под действием БАП длина недекапитированных проростков увеличивалась в 1,6, декапитированных – в 1,8 раз.

Реакция первого листа на освещение и обработку фиторегуляторами была качественно сходной с реакцией освещенных колеоптилей, но количественно более слабой.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов было установлено стимулирующее действие ИМК и БАП на ростовые процессы, протекающие в проростках кукурузы на ранних этапах онтогенеза.

4,0

–  –  –

Рис. 1. Изменение длины колеоптилей кукурузы при разных условиях обработки за 24 ч.

Контроль – дистиллированная вода, концентрации ИМК - 10-5М, БАП - 10-4М Варианты опыта: 1 – этиолированные недекапитированные проростки в темноте (НСР0,5=0,1); 2 – этиолированные декапитированные проростки в темноте (НСР0,5=0,1); 3 – этиолированные недекапитированные проростки, освещенные (НСР0,5=0,2); 4 – этиолированные декапитированные проростки, освещенные (НСР0,5=0,3).

Четкая ростовая реакция колеоптилей не только на ауксин, но и на цитокинин, явилась основой для сравнительного изучения гормон-зависимого роста растяжением.

В настоящее время известно, что ауксин, вызывая удлинение колеоптилей, стимулирует рост клеток растяжением клеток, в частности за счет активации работы Н+ - помпы плазмалеммы, приводящей к выбросу Н+ в апопласт и серии последующих событий, к увеличению в следствие этого эластичности клеточной стенки. В сочетании с активацией метаболизма это создает основу для роста клеток растяжением. Для цитокининов подобный механизм не установлен. Исходя из изложенных выше результатов, была выдвинута гипотеза, что подобным образом действует не только ауксин, но и цитокинин. Для проверки этой гипотезы были проведены эксперименты по влиянию экзогенных ИМК и БАП на БЭП, изменение рН среды инкубации колеоптилей, а также инкубирование исследуемых объектов при разных рН.

Для исследования биоэлектрической активности использовали этиолированные декапитированные проростки кукурузы и измеряли БЭП. Изменение рН среды инкубации измеряли с интервалом 5-10 мин в течении 1 ч и по истечению 24 ч. Разные значения рН инкубационной среды создавали при помощи 2 мМ ацетатного буфера с рН 7,0; 6,5; 3,5. Для проверки универсальности обнаруженных эффектов, аналогичные эксперименты были проведены с листовыми высечками тыквы (двудольного растения).

В результате проведенных экспериментов как под действием ИМК, так и

БАП наблюдали:

1. Изменение биоэлектрической активности тканей (рис. 2 а). При этом под влиянием как ИМК, так и БАП в первые 25-30 мин эксперимента происходила электронегативация тканевого потенциала на 25-45 мВ, что соответствовало деполяризации плазмалеммы. После этого происходила электропозитивация БЭП на 8-12 мВ в течение 10-15 мин, соответствовавшая гиперполяризации плазмалеммы. Затем наблюдали затухавшие со временем колебания, что, по-видимому, соответствовало выходу Н+ из клетки и последующему входу Са2+ в клетку. Следует отметить, что изменения БЭП под действием БАП были более быстрыми, чем под действием ИМК, а динамика изменения происходившими при совместном влиянии двух фиторегуляторов была сходной с изменениями под действием одной ИМК. Таким образом, обработка колеоптилей регулятором как цитокиноновой, так и ауксиновой природы приводила к интенсивным колебаниям и значительному снижению уровня БЭП, при этом реакция была сходной, независимо от природы фиторегулятора.

момент обработки контроль Напряжение, мВ

–  –  –

Рис. 2. Изменение БЭП отрезков колеоптилей 4-х суточных этиолированных декапитированных проростков кукурузы при действии ИМК, 10-5 М и БАП, 10-4 М.

2. Результаты типичных экспериментов по влиянию ИМК и БАП на рН среды инкубации приведены на рис. 3. Из представленных результатов следует, что внесение как ИМК, так и БАП в среду инкубации колеоптилей кукурузы в первые же минуты вызывало резкое снижение рН с 6,50 до 6,10 – 6,32 (рис. 3 а).

Далее величина рН медленно изменялась и через сутки опыта снижалась до

–  –  –

Рис. 3. Изменение рН инкубационной среды (2 мМ ацетатный буфер) (а) и длины отрезков колеоптилей 4-х суточных этиолированных декапитированных проростков кукурузы при действии ИМК, БАП и рН инкубационной среды (б).

Варианты опыта: 1,4,5 – рН 7,0; 2 – рН 6,5; 3 - рН 3,5; 1-3 - (без фиторегулятора); 4 – ИМК (10-5 М); 5 - БАП (10-4 М).

Важно, что эти явления были обнаружены нами не только при обработке колеоптилей, но и при обработке растительных тканей принципиально иного типа - листовых высечек тыквы, у которой тоже была зарегистрирована четкая ростовая реакция на ауксин и цитокинин (рис. 4, 5).

–  –  –

Рис. 5. Изменение рН инкубационной среды (2 мМ ацетатный буфер, рН 6,5) (а) и площади высечек из растущих (50% Smax ) листьев тыквы при действии БАП, 10-4 М и рН инкубационной среды (б).

Варианты опыта см. рис. 3.

Таким образом, из представленных результатов можно сделать заключение, что обработка фиторегуляторами как ауксиновой, так и цитокининовой природы по целому набору исследуемых характеристик приводит к близким физиологическим эффектам.

Поскольку результаты лабораторных экспериментов подтвердили гипотезу о близких эффектах ауксинов и цитокининов на ряд физиологических характеристик растений кукурузы на начальных этапах онтогенеза, следующий этап работы был направлен на изучение действия ИМК и БАП на формирование и функционирование растений кукурузы на более поздних этапах онтогенеза. Для этого проводили полевые мелкоделяночные опыты. Надземную часть опытных растений в фазы всходов, выбрасывания метелки и цветения початков опрыскивали водным раствором ИМК (10-5 М) или БАП (10-4 М). Оценивали динамику роста растений по изменению ряда физиологических параметров (см.

материалы и методы исследований). Кроме того, исследовали особенности мезоструктуры листа, сухую массу единицы площади (УППЛ), содержание фитосинтетических пигментов, интенсивность фотосинтеза и дыхания, содержание органических веществ, ЧПФ и урожай зеленой массы растений кукурузы.

Полученные результаты по влиянию ИМК и БАП на физиологические характеристики интактных растений кукурузы представлены на рис. 6, 7 и в табл. 1, 2. Из них следует, что обработка растений фиторегуляторами приводила к удлинению и утолщению стебля (рис. 6), стимуляции роста листьев, проявлявшейся в увеличении УППЛ (табл. 1), площади каждого отдельного листа и ассимиляционного потенциала (суммарной листовой поверхности) растений в целом (рис. 7).

Кривые роста стебля и листьев представленные в натуральном и полулогарифмическом виде, имеют типичную S-образную форму. На них хорошо просматриваются типичные фазы роста. Стоит отметить отсутствие лаг-фазы (начальной фазы) и немедленное наступление фазы ускорения роста у растений как контрольного, так и опытных вариантов. Продолжительность фазы экспоненциального роста в пределах разных вариантов составила 10-15 сут. Фаза замедления роста наступала на 20-30 сут, а переход в стационарную фазу, как правило, – на 50 сут. Влияния фиторегуляторов на ускорение прохождения фаз роста не обнаружено, однако четко отмечено их действие на интенсивность ростовых процессов, характеризующееся увеличением конечных размеров органов интактных растений кукурузы.

Степень проявления эффектов различалась на разных стадиях развития растений. После обработки всходов фиторегуляторами нам не удалось зарегистрировать заметного увеличения длины или толщины стебля растений. Однако более поздняя обработка ИМК или БАП 50-суточных растений в фазу выбрасывания метелки уже существенно увеличивала длину стебля, которая к концу опыта превышала длину растений контрольного варианта на 20 (ИМК) и 14% (БАП) (рис. 6 а). Диаметр стебля под влиянием фиторегуляторов увеличивался на 13-19% (рис. 6 б).

–  –  –

Возраст растений, сут Рис. 6. Кривые роста стебля растений кукурузы в онтогенезе при действии ИМК, 10-5 М (2) и БАП, 10-4 М (3); (а, в) – длина стебля (Х) (НСР0,5 = 3,4);

(б, г) – диаметр стебля (У) (НСР0,5 = 0,1) 1 – контроль (без фиторегулятора):

Стрелками показано время обработки фиторегуляторами Фазы роста: I - фаза ускорения роста; II – фаза экспоненциального роста;

III – фаза замедления роста; IV – стационарная фаза.

ИМК стимулировала рост листьев, приводя к увеличению площади листа средней формации на 21, а суммарной листовой поверхности - более чем на 40%. Проявление эффекта наблюдали после второй обработки 50-суточных растений, он сохранялся до конца эксперимента (рис. 5). Площадь отдельного листа под действием БАП увеличивалась также на 20%, однако суммарная площадь листьев у опытных и контрольных растений статистически достоверно не отличалась, существовала лишь тенденция к увеличению этой величины.

Третья обработка 70-суточных растений в фазу цветения початков дополнительно не приводила к существенному увеличению длины, диаметра стебля или площади листьев.

–  –  –

Таким образом, в результате проведенных экспериментов был зарегистрированы стимулирующие эффекты ИМК и БАП на рост различных типов вегетативных органов однодольного растения (стебля, листьев) и установлена онтогенетическая динамика этих явлений. Однако необходимо отметить, что ауксин в этом отношении был более эффективен, поскольку он действовал в меньших концентрациях (10-5 М), чем цитокинин (10-4 М) и в ряде случаев оказывал более сильный ростовой эффект (рис. 6-7).

Весьма важным результатом работы явилось установления того факта, что стимуляция роста была получена нами не только в модельных системахизолированных органах, но и в системе целого растения. Этот факт представляет несомненный интерес с теоретической и практической точки зрения, поскольку на интактном растении ответную реакцию на фиторегуляторы по ряду причин наблюдать сложнее.

Хорошо известно, что продуктивность зависит не только от интенсивности ростовых процессов, но и от фотосинтетической и дыхательной деятельности растений (Ничипорович, 1982). Существенное значение также имеет соотношение активности фотосинтеза и дыхания. В связи с этим, ряд экспериментов был связан с изучением влияния ИМК и БАП на эти процессы.

Как показали исследования, проведенные другими авторами на большом числе видов и сортов сельскохозяйственных растений, основными морфологическими характеристиками, по изменению которых можно судить о фотосинтетической деятельности растений являются УППЛ (табл. 1), ассимиляционный потенциал, а так же мезоструктура листа (Мокроносов, 1994; Васильчук и др., 2000).

Данные по действию ИМК и БАП на УППЛ и ассимиляционный потенциал растений представлены выше (табл. 1, рис. 7). При анализе мезоструктуры было зарегистрировано, что обработка ИМК и БАП приводила к увеличению числа клеток в листе в 1,7 под действием ИМК и 1,3 раза под влиянием БАП, вероятно за счет активации клеточных делений. Фиторегуляторы стимулировали увеличение объема клеток мезофилла, который под действием ИМК изменялся в 1,4, БАП – в 1,6 раза. О степени увеличения объема говорит не только увеличение средних арифметических значений, но также и сдвиг максимума функции распределения в сторону бльших значений, отражающий появление новых фракций клеток бльшего объема, отсутствовавших в листьях необработанных растений (рис. 8).

Под действием фиторегуляторов увеличивалось также количество хлоропластов в клетках хлоренхимы листа (рис. 8). Характер распределение клеток мезофилла по числу хлоропластов отчетливо свидетельствуют о сдвиге экстремумов функции распределения в сторону увеличения числа хлоропластов в клетках, обработанных ИМК или БАП листьев. В частности, в результате обработки ИМК, и особенно БАП в листе появлялись новые фракции клеток с увеличенным до 120-149, а в отдельных клетках до 154 числом хлоропластов.

Частота встречаемости %

–  –  –

12,0-14,9 15,0-17,9 18,0-20,9 21,0-23,9 24,0-27,9 9,0-11,9 3,0-5,9 6,0-8,9 0-2,9

–  –  –

150 - 199 90 - 119 30 - 59 60 - 89 1 - 29

–  –  –

Рис. 8. Действие 10-5 М ИМК (2) и 10-4 М БАП (3) на распределение клеток мезофилла листа кукурузы по объему (а) и по числу хлоропластов (б).

1 – контроль (без фиторегулятора).

Сроки обработки и анализа растений – см. табл. 1.

Позитивное действие ИМК и БАП на фотосинтетический аппарат растений выражалось также и в увеличении содержания фотосинтетических пигментов - хлорофиллов и каротиноидов в листьях (табл. 2). После третьей обработки растений ИМК содержание хлорофиллов a и b возрастало на 17, БАП – на 47%. Эти факты свидетельствовали о потенциально более эффективном поглощении и преобразовании энергии ФАР обработанными растениями.

–  –  –

Примечание. Растения обрабатывали фиторегуляторами 12.06.2004 (фаза полного появления всходов); 03.08.2004 (фаза начала выбрасывания метелки) и 27.08.2004 (фаза полного цветения початков). В таблице указаны даты определения пигментов и возраст растений.

Анализ мезоструктуры позволил нам предположить, что и ИМК, и БАП могут оказывать позитивное влияние на фотосинтез интактных растений кукурузы. Наши исследования показали, что, действительно, ИМК и БАП стимулировали фотосинтез, увеличивая фотосинтетическую активности единицы площади листа (рис. 9). В середине вегетации, через 10 дней после второй обработки 50-суточных растений ИМК, интенсивность фотосинтеза возрастала в 1,3, а БАП - в 1,6 раза. Вероятно, это явилось следствием обнаруженного позитивного влияния фиторегуляторов на формирование (количество, объем) клеток мезофилла и снижение за счет этого мезофилльного сопротивления, а также на количество пластид и содержание фотосинтетических пигментов. Стоит отметить, что влияние БАП на интенсивность фотосинтеза было достоверно более сильным, чем ИМК.

Таким образом, обработка ИМК и БАП приводила к стимуляции роста растений кукурузы в генеративную фазу развития (фазы выбрасывания метелки и цветения початков), а также к изменению структурно-функциональных особенностей листа. При этом наблюдаемые эффекты были сходными для фиторегуляторов ауксиновой и цитокининовой природы.

При анализе интенсивности дыхания было установлено, что оба фиторегулятора приводят к его активации, очевидно, улучшая субстратное и энергетическое обеспечение ростовых процессов. Причем и в этом случае БАП оказывал более сильное влияние, чем ИМК. У 60-сут растений (фаза выбрасывания метелки) после второй обработки ИМК или БАП интенсивность дыхания увеличивалась соответственно в 1,1 и 1,5 раз (рис. 9).

–  –  –

Рис. 9. Действие ИМК, 10-5 М (2) и БАП, 10-4 М. (3) на интенсивность фотосинтеза (а) и дыхания (б) листьев интактных растений кукурузы (НСР0,5=0,1).

1 – контроль (без фиторегулятора).

Сроки обработки и анализа растений – см. табл. 1.

В этой ситуации принципиальное значение имеет соотношение стимулирующего действия ИМК и БАП на фотосинтез и дыхание. Анализ показал, что стимуляция фотосинтеза каждым из фиторегуляторов существенно выше по сравнению с дыханием, то есть их действие увеличивало отношение фотосинтез/дыхание. Действительно, оценка эффективности функционирования листового аппарата показала увеличение чистой продуктивности фотосинтеза в результате обработки растений: в некоторой степени после обработки ИМК, и существенно (в 1,5 раза) при обработке БАП (рис.10).

10,0 Рис. 10. Действие ИМК, 10-5 М (2) ЧПФ, г /(м *сут)

–  –  –

Эти результаты позволили высказать предположение, что обработка растений кукурузы как ИМК, так и БАП может повысить накопление органической массы растений.

Заключительная серия экспериментов была направлена на изучение влияния ИМК и БАП на продуктивность интактных растений кукурузы. Учитывали урожай вегетативной массы растений в фазу молочно-восковой спелости (90-сут растений). Обработка фиторегуляторами надземных органов растений кукурузы приводила к увеличению биомассы на 7-9 при использовании ИМК и на 12-14% в результате применения БАП (табл. 3).

–  –  –

БАП, 29 112 38 112 16 114 10-4 М НСР0,5 2,0 - 2,0 - 2,4 В итоге, несмотря на то, что в ряде случаев эффекты БАП были слабее, чем ИМК (см. рис. 6-7), влияние БАП на ЧПФ и урожай зеленой массы оказалось выше, чем ИМК. Возможно, это связано с сильным протекторным действием цитокининов (Кулаева, 1973; Чернядьев, 2005).

В заключение следует подчеркнуть, что высокая физиологическая активность ауксиновых и цитокининовых препаратов, возможность их использования в низких концентрациях (г/га) и относительная экологическая безопасность в сочетании с описанными выше физиологическими эффектами этих препаратов делают ауксины и цитокинины перспективными соединениями для использования в растениеводстве.

ВЫВОДЫ

1. ИМК (10-5 М) и БАП (10-4 М) активируют рост вегетативных надземных органов (колеоптилей, стебля, листьев) интактных растений кукурузы в течение всего онтогенеза.

2. Ауксин- и цитокинин– зависимый рост растяжением у различных изученных типов растительных объектов (изолированных колеоптилей кукурузы, листовых высечек тыквы) основан на сходных явлениях, связанных с изменением БЭП и снижением рН апопласта.

3. ИМК и БАП стимулируют формирование мезоструктуры листа (деление, рост клеток мезофилла, репликацию пластид, накопление фотосинтетических пигментов) и активируют фотосинтетическую деятельность листьев интактных растений кукурузы.

4. ИМК и БАП стимулируют дыхание листьев интактных растений кукурузы, отношение интенсивность фотосинтеза/интенсивность дыхания при этом, повышается.

5. ИМК и БАП увеличивают чистую продуктивность фотосинтеза листьев интактных растений кукурузы.

6. С помощью обработки растений водными растворами ИМК (10-5 М) и БАП (10-4 М) можно увеличить урожай зеленой массы кукурузы на 7-9 и 12соответственно.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Калинина Е.А. Влияние ИМК и БАП на рост, фотосинтетическую функцию и продуктивность кукурузы (Zea mays L.) / Е.А. Калинина // Известия ТСХА. – 2009. – № 3. – С. 181-186.

2. Роньжина Е.С. Использование синтетических ауксинов и цитокининов для повышения урожайности зеленой массы кукурузы / Е. С. Роньжина, Е. А.

Калинина // Агро XXI. – 2007. – № 7-9. – С. 36-37.

В региональных и зарубежных изданиях, материалах, съездов и конференций

3. Роньжина Е.С. К вопросу о механизме цитокинин-зависимого роста растительных тканей / Е.С. Роньжина, Е.А. Калинина, Ю.В. Евтушевская // Междунар. научно-технич. конф., посвященная 70-летию Калининградского государственного технического университета: материалы / КГТУ. – Калининград, 2000. Ч. I. - С. 239 - 240.

4. Калинина Е.А. Сравнительная характеристика действия ауксина и цитокинина на рост растительных тканей / Е.А. Калинина // I Агрономическая научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (11-12 апр.): тезисы докладов / КГТУ. – Калининград, 2002. – С. 25.

5. Калинина Е.А. Изучение механизма действия ауксина на рост осевых органов однодольного растения / Е.А. Калинина // Современные проблемы сельского хозяйства: международный сборник научных трудов – Калининград:

Изд-во КГТУ, 2002. - С. 179.

6. Калинина Е.А. Изучение механизма действия ауксина на рост тканей листа двудольного растения / Е.А. Калинина // Вопросы сельского хозяйства:

междунар. сборник научн. трудов. – Калининград: КГТУ, 2003. – С. 134-139.

7. Собещанская Ю.Ю. Влияние цитокинина на химический состав клеточных мембран / Ю.Ю. Собещанская, Е.А. Калинина // Физиология растений основа фитобиотехнологии: международная конференция; V съезд общества физиологов растений России (15-21 сент.): тезисы докладов. – Пенза, 2003. – С. 432.

8. Калинина Е.А. Действие ауксина на рост и биоэлектрическую активность растительных тканей / Е.А. Калинина, Ю.Ю. Собещанская // Физиология растений - основа фитобиотехнологии: международная конференция; V съезд общества физиологов растений России (15-21 сент.): тезисы докладов. – Пенза, 2003. – С. 396.

9. Калинина Е.А. К вопросу о влиянии ауксинов и цитокининов на рост тканей однодольных растений / Е.А. Калинина // Вопросы сельского хозяйства:

международный сборник научных трудов. – Калининград: Изд-во КГТУ, 2004. – С. 194-199.

10. Роньжина Е. С. Регуляция цитокининами роста, развития и продуктивности зерновых и зернобобовых культур / Е. С. Роньжина, Е. А. Калинина // Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия: международная конференция (19 - 23 сент.) – Вологда, 2005. – С. 150.

11. Роньжина Е.С. Изменение биоэлектрической активности тканей листа двудольного растения в связи с проблемой цитокинин-зависимого роста / Е.С.

Роньжина, Е.А. Калинина // Инновации в науке и образовании: международная конференция (20-22 окт.): труды. – Калининград: КГТУ, 2004. – С. 62-63.

12. Роньжина Е. С. Стимуляция цитокининами роста растяжением клеток мезофилла листа двудольных и осевых органов однодольных растений / Е. С. Роньжина, Е. А. Калинина // Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия: международная конференция (19-23 сент.).– Вологда, 2005. – С. 151.

13. Калинина Е. А. Перспективы использования регуляторов роста и развития растений цитокининовой и ауксиновой природы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур / Е. А. Калинина, Е. С. Роньжина // Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы: научно-практическая конференция (4-5 июля): материалы. – Калининград, 2006. – С. 58.

14. Калинина Е.А. Ауксины и цитокинины в регуляции роста, развития и продуктивности растений / Е.А. Калинина // IV съезд общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (6-7 дек.): материалы. – М.: Пущино, 2006. – С. 90.

15. Роньжина Е.С. Действие ауксина и цитокинина на рост, развитие и формирование урожая растений кукурузы / Е.С. Роньжина, Е.А. Калинина // Проблемы сельского хозяйства: международный сборник научных трудов. – Калининград: КГТУ, 2006. – С. 249-256.

16. Калинина Е. А. Влияние ауксина и цитокинина на рост и биоэлектрическую активность органов однодольных и двудольных растений / Е. А. Калинина // Инновации в науке и образовании: IV междунар. науч. конф. (18-20 окт.): труды: в 2-х ч. / КГТУ. – Калининград: Изд-во КГТУ, 2006. – Ч. I. – С. 141.

17. Kalinina E. A. The Effect of Auxin and Cytokinin on the Sourсе Function of Leaves and Crop Formation in Zea mays Plant / E. A. Kalinina, E. S. Ron'zhina // Sink-Sourсе Relationships in Plants: International Symposium (May, 21 – 26). – Kaliningrad, 2007. – P. 32.

18. Роньжина Е.С. Цитокинины и ауксины в регуляции роста и развития растений / Е.С. Роньжина, Е.А. Калинина // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: междунар. конф. – VI съезд Общества физиологов растений России (18-24 июня): материалы: в 3-х ч. – Ч. I. – Сыктывкар, 2007. – С. 354-355.

19. Роньжина Е.С. Возможность использования ауксинов и цитокининов для повышения урожайности зерновых культур на примере кукурузы (Zea mays L.) / Е.С. Роньжина, Е.А. Калинина // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: междунар. конф. – VI съезд Общества физиологов растений России (18-24 июня): материалы: в 3-х ч. – Ч. I. – Сыктывкар, 2007. – С. 353-355.

20. Калинина Е.А. Использование регуляторов роста и развития растений

- перспективное направление современного растениеводства / Е.А. Калинина, Е.С. Роньжина / Инновации в науке и образовании: V междунар. науч. конф.

(23-25 окт.): труды: в 2-х ч. / КГТУ. – Калининград. Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ». – 2007. – Ч. 1. – С. 160-161.

21. Роньжина Е.С. Химическая регуляция роста, развития и углеродного метаболизма как фактор повышения продуктивности растений / Е.С. Роньжина,

Е.А. Калинина, И.Н. Волошина и др. // Инновации в науке и образовании:

V международная научная конференция (23-25 окт.): труды: в 2-х ч. / КГТУ. – Калининград. Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2007. – Ч. 1. – С. 164-166.

22. Роньжина Е.С. Сравнительный анализ действия ауксина и цитокинина на рост и продуктивность однодольных и двудольных растений / Е.С. Роньжина, Е.А. Калинина // Известия КГТУ. – 2007. – №12. - С. 125-131.

23. Калинина Е.А. Возможность использования ИМК и БАП для повышения урожая зеленой массы кукурузы (Zea mays L.) / Аграрная наука и практика: проблемы и перспективы», посвященная 270-летию со дня рождения великого русского агронома А.Т. Болотова: научно-практ. конф. (20-23 окт.): материалы. – Калининград, 2009. – С. 26-32.

24. Калинина Е.А. О возможности применения ауксина и цитокинина в технологии выращивания кукурузы / Е.А. Калинина // Инновации в науке и образовании: междунар. науч. конф. (20-22 окт.): в 2-х ч. / КГТУ. – Калининград.

Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009. – Ч. 1. – С. 139-141.

Заказ № Подписано к печати 02.12.2009. Формат 6084/16 Объем 1,0 усл. п.л Тираж 125 экз.

Отпечатано УОП ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».

236022, г. Калининград, Советский проспект, 1




Похожие работы:

«О.А. Белых и др.: Дикоросы как источник биотехнологического сырья для производства УДК 630.2.56.9: 643.0.524 ДИКОРОСЫ КАК ИСТОЧНИК БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ И Б...»

«Федеральная целевая программа Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы· экология Под редакцией докт. техн. наук, проф. Г В. Тягунова, докт. техн. наук, проф. Ю. Г Ярошенко Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве у...»

«АДМИНИСТРАЦИЯ АКСАЙСКОГО РАЙОНА ПОСТАНОВЛЕНИЕ № 13. 10. 2016 461 г. Аксай Об утверждении административного регламента по предоставлению муниципальной услуги "Расторжение договора аренды, безвозмездного пользования земельным участком" В соответствии с Земельным кодексом Российской Федерации, Ф...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт Кафедра экологии и генетики Кафедра зоологии и эволюционной экологии Кафедра анатоми...»

«ЛАДЫГИН Константин Владимирович ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ МЕМБРАН ПРИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИИ ФИЛЬТРАТА ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ Специальность 03.02.08 – Экология (в химии и нефтехимии) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени к...»

«СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 50, 5, с. 550-560 УДК 633.11:631.52:575.167 doi: 10.15389/agrobiology.2015.5.550rus АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СЕЛЕКЦИОННЫЕ РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ УРОЖАЕВ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В Р...»

«§¦, IN VITRO.00.14 §¦ – 2011 _ НПЦ §АРМБИОТЕХНОЛОГИЯ¦ НАН РА ГНКО ПАРСАЕИМЕЙР АЛИ ХАССАНОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДОВ ЭФЕДРЫ, ИХ ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ В КУЛЬТУРЕ IN VITRO И РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИИ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание у...»

«Дисплей покупателя PD-2100/2200/2300 Руководство по эксплуатации Москва, 2009 г. ПРАВО ТИРАЖИРОВАНИЯ ДОКУМЕНТАЦИИ ПРИНАДЛЕЖИТ ООО "АТОЛ технологии" Версия документации: 1.1 (от 03.02.2009) Содержание Особенности Введение Возможности Номера моделей Комплектация Установка Панель разъемов Подключение Подключение пита...»

«Matrix– руководство администратора Версия 1.0 Номер документа: GradSoft-Matrix-AG-03.03.2005-1 Содержание Введение Основные функциональные возможности Интеграция Matrix с системами сторонних производителей Интеграция Matrix с АСР “Град” Процесс у...»

«Самаратрансавто-2000 Транспорт Складской девелопмент VOLVO&RENAULT сервисная станция 03.09.2015, Самара Самаратрансавто-2000 ИСТОРИЯ КОМПАНИИ Фирма ООО "СамараТрансАвто-2000" была основано в 1996 году как транспортно-экспеди...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЮЖНО – УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УН...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛ...»























 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.